فهرست مطالب
محققان دانشگاه بینگهمتون آمریکا باتری زیستی جدیدی با الهام از ساختار روده کوچک انسان ساخته‌اند که با استفاده از فعالیت باکتری‌ها برق تولید می‌کند.
به گزارش سرویس انرژی تکناک، این باتری در آزمایش‌های آزمایشگاهی توانست ولتاژی حدود ۰٫۷۵ ولت را به مدت دست‌کم ۱۴ ساعت حفظ کند.
این دستگاه از ساختارهای انعطاف‌پذیر و انگشت‌مانندی بهره می‌برد که با الهام از پرزهای روده طراحی شده‌اند. این ساختارها فضای بیشتری برای رشد باکتری‌ها فراهم می‌کنند و انتقال مواد مغذی و دفع مواد زائد را بهبود می‌بخشند. پرزهای روده که در حالت طبیعی به جذب مواد مغذی کمک می‌کنند، الگویی برای افزایش بازده تولید برق با استفاده از باکتری‌های تولیدکننده هاگ به حساب می‌آیند.
محققان این ساختارها را با استفاده از یک هیدروژل پلیمری انعطاف‌پذیر ساخته‌اند و باکتری‌های Bacillus subtilis را درون آنها قرار داده‌اند. این ساختارها نقش آند باتری را بر عهده دارند و فعالیت باکتری‌ها در این بخش به تولید جریان الکتریکی کمک می‌کند.
به گفته محققان، این فناوری در آینده می‌تواند درون لوله‌های فاضلاب نصب شود و با استفاده از مواد زائد آلی به عنوان منبع تغذیه باکتری‌ها، برق مورد نیاز دستگاه‌های کم‌مصرف را تأمین کند.
بیشتر بخوانید: ظرفیت باتری یا عمر باتری؟ تفاوت این دو اصطلاح چیست؟
رفع محدودیت‌های الکترودهای مسطح با باتری زیستی
باتری‌های زیستی با استفاده از فعالیت‌های سوخت‌وسازی میکروارگانیسم‌ها برق تولید می‌کنند. با وجود این، عملکرد آنها تا حد زیادی به نحوه دریافت مواد مغذی و دفع مواد زائد توسط باکتری‌ها بستگی دارد.
الکترودهای دوبعدی متداول سطح محدودی برای رشد باکتری‌ها دارند. مواد متخلخل فضای بیشتری فراهم می‌کنند، اما تشکیل لایه‌های زیستی باکتریایی می‌تواند منافذ آنها را مسدود کند و انتقال مواد مغذی و دفع مواد زائد را با مشکل مواجه سازد.
سئوک‌هیون «شان» چوی، استاد مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه بینگهمتون دراین‌باره گفت:
«ساختارهای متخلخل ممکن است به‌راحتی بر اثر تشکیل لایه‌های زیستی مسدود شوند. به همین دلیل، ما با مشکلات زیادی در انتقال مواد مغذی، تجمع مواد زائد و رشد نامتوازن لایه‌های زیستی مواجه بودیم.»
چوی و دو پژوهشگر مقطع دکتری به نام‌های روهان ژانگ و بوتیان وانگ برای برطرف کردن این مشکلات به سراغ ساختار روده کوچک انسان رفتند.
پرزهای روده سطح وسیعی برای جذب مواد مغذی فراهم می‌کنند و درعین‌حال امکان انتقال این مواد را در فاصله‌های نسبتا کوتاه به وجود می‌آورند. محققان تلاش کردند این ویژگی‌ها را در طراحی یک الکترود انعطاف‌پذیر بازآفرینی کنند.
آنها برجستگی‌های انگشت‌مانندی را با استفاده از هیدروژل پلیمری ساختند که کاربرد گسترده‌ای در فناوری‌های زیست‌پزشکی دارد. این ماده امکان ساخت یک ساختار سه‌بعدی را فراهم کرد که می‌تواند باکتری‌ها را در بخش‌های مختلف الکترود جای دهد.
ساختارهای حاوی باکتری نقش آند را بر عهده دارند و یک کاتد ساخته‌شده از پارچه کربنی اصلاح‌شده در سمت مقابل غشای تبادل یونی قرار می‌گیرد. این اجزا در کنار یکدیگر امکان تولید برق از طریق فعالیت سوخت‌وسازی باکتری‌ها را فراهم می‌کنند.
بیشتر بخوانید: این کاغذدیواری با رطوبت هوا برق تولید می‌کند
کاربرد در شبکه فاضلاب هنوز آزمایش نشده است
محققان پیش‌بینی کرده‌اند که نسخه‌های آینده این باتری زیستی بتوانند درون لوله‌های فاضلاب قرار بگیرند. در چنین شرایطی، میکروارگانیسم‌ها می‌توانند از مواد آلی موجود در فاضلاب به عنوان سوخت استفاده کنند.
چوی در توضیح این کاربرد گفت:
«ما می‌توانیم این باتری زیستی را درون یک لوله فاضلاب قرار دهیم، زیرا به‌راحتی با محیط اطراف خود سازگار می‌شود.»
انعطاف‌پذیری هیدروژل به باتری اجازه می‌دهد با شکل و اندازه لوله‌های مختلف سازگار شود. چنین سامانه‌هایی ممکن است در آینده برق حسگرهای کوچک را بدون نیاز به باتری‌های متداول تأمین کنند.
هرچند، این پژوهش هنوز در مراحل اولیه قرار دارد. محققان ولتاژ گزارش‌شده را با تأمین پیوسته محیط مغذی حفظ کرده‌اند و تاکنون عملکرد این سامانه را درون لوله‌های واقعی فاضلاب آزمایش نکرده‌اند.
همچنین پژوهشگران قصد دارند فرایند تولید باتری را با استفاده از یک روش چاپ تک‌مرحله‌ای ساده‌تر کنند. این روش می‌تواند ساخت ساختارهای سه‌بعدی را در مقیاس بزرگ آسان‌تر نماید.
یکی دیگر از اهداف آنها بهبود نحوه توزیع باکتری‌ها درون دستگاه است. در روده انسان، میکروارگانیسم‌ها عمدتا در لایه مخاطی نزدیک سطح پرزها تجمع می‌کنند. در مقابل طراحی کنونی باتری، باکتری‌ها را در سراسر ساختار هیدروژلی جای می‌دهد.
محققان در مراحل بعدی بررسی خواهند کرد که آیا بازآفرینی دقیق‌تر شرایط فیزیکی و شیمیایی روده می‌تواند فعالیت باکتری‌ها را برای مدت طولانی‌تری حفظ کند و عملکرد باتری را بهبود بخشد یا خیر.
نتایج این پژوهش در مجله علمی Small منتشر شده است.
بیشتر بخوانید: این باتری آبی ۳ دقیقه ای شارژ می شود
