دانشمندان در گامی شگفتانگیز برای تحول در فناوری ذخیرهسازی انرژی، موفق شدهاند نخستین باتری ویتامینی و قندی جهان را با الهام از سازوکار طبیعی بدن انسان در تولید انرژی بسازند.
به گزارش تکناک، این باتری جریانپذیر که از ترکیب ویتامین B2 و قند گلوکز نیرو میگیرد، میتواند فصل تازهای در مسیر طراحی باتریهای ایمن، ارزان و زیستسازگار رقم بزند.
در حالی که جهان به دنبال جایگزینی برای باتریهای لیتیوم-یونی است که هزینه بالا و اثرات زیستمحیطی سنگینی دارند، این پژوهشگران بینالمللی تصمیم گرفتند از طبیعت بیاموزند.
این مطالعه که توسط تیمی به سرپرستی دکتر جونگهوا شون (Jong-Hwa Shon) انجام شده است، نشان میدهد که این باتری جدید بر پایه ویتامین B2 یا ریبوفلاوین و قند گلوکز کار میکند. ریبوفلاوین که در بدن انسان مسئول انتقال انرژی میان واکنشهای متابولیک است، در این باتری نیز دقیقاً همان نقش را ایفا میکند؛ یعنی الکترونها را بین الکترودها و محلول گلوکزی جابهجا میکند و از این طریق، برق تولید میشود.
به گفته شون، این سامانه با تقلید از عملکرد زیستی بدن، میتواند انرژی را به شکلی طبیعی، ایمن و مقرونبهصرفه تولید کند. او در این باره توضیح داد: «سلولهای جریانپذیر مبتنی بر ریبوفلاوین و گلوکز، قادر هستند از منابع انرژی طبیعی مانند قند، برق تولید کنند. استفاده از مواد غیرسمی، ارزان و فراوان در طبیعت، راهی نو برای ساخت باتریهایی باز میکند که میتوانند در مقیاس خانگی و صنعتی مورد استفاده قرار گیرند.»
این پژوهشگران بیان کردند که نخستین باتری ویتامینی و قندی طراحیشده آنها دقیقاً از نحوه تولید انرژی در بدن الهام گرفته است. آنزیمها در بدن انسان با تجزیه گلوکز، انرژی شیمیایی آزاد میکنند. در این باتری نیز فرایندی مشابه انجام میشود، با این تفاوت که انرژی آزادشده بهصورت مستقیم به برق تبدیل میشود.
باتریهای جریانپذیر، برخلاف باتریهای متداول لیتیومی یا نیکلکادمیومی، انرژی را در الکترولیتهای مایع ذخیره میکنند. این مایعات درون سلول در حال گردش هستند و هنگام عبور از میان الکترودهای مثبت و منفی، واکنشهای شیمیایی ایجاد میکنند، که باعث آزادسازی یا ذخیره انرژی میشود. این فناوری از نظر ایمنی و دوام، مزایای قابل توجهی نسبت به باتریهای جامد دارد، چرا که احتمال انفجار یا نشت حرارتی در آن بسیار کمتر است.
در این سامانه، گلوکز که تقریباً در تمام گیاهان یافت میشود، بهعنوان منبع انرژی اصلی استفاده شده است. این قند طبیعی تجدیدپذیر، پایدار و در سطح جهانی فراوان است، از همین رو گزینهای مناسب برای کاربرد در سیستمهای ذخیرهسازی انرژی محسوب میشود.
در بیشتر باتریهای گلوکزی پیشین، از کاتالیزورهای گرانقیمتی مانند پلاتین و طلا برای تجزیه مولکولهای قند استفاده میشد تا الکترونها آزاد شوند. اما این فلزات نادر، بسیار گران و در مقیاس صنعتی محدود هستند. علاوه بر این، استخراج آنها آسیبهای زیستمحیطی گستردهای بههمراه دارد.
پژوهشگران در طراحی جدید، با جایگزینی ریبوفلاوین بهجای فلزات گرابها، نهتنها هزینهها را به طور چشمگیری کاهش دادهاند، بلکه پایداری و کارایی سیستم را نیز افزایش دادهاند. ریبوفلاوین حتی در محیطهای قلیایی بالا – که برای الکترولیتهای گلوکزی ضروری است – پایداری شیمیایی خود را حفظ میکند.
نمونه اولیه نخستین باتری ویتامینی و قندی با الکترودهای کربنی ساخته شده است. محلول سمت منفی شامل ترکیبی از گلوکز و ریبوفلاوین فعال بود و سمت مثبت از دو گزینه مختلف پتاسیم فریسیانید یا اکسیژن استفاده میکرد. پژوهشگران این دو ترکیب را برای مقایسه عملکرد کاتالیزوری، دوام طولانی و چگالی توان آزمایش کردند.
آزمایشها نشان دادند که سلول مبتنی بر پتاسیم فریسیانید در دمای اتاق توانست به چگالی توانی مشابه باتریهای جریانپذیر وانادیوم تجاری دست یابد. این نتیجه چشمگیر نشان میدهد که ریبوفلاوین میتواند جایگزینی واقعی برای فلزات سنگین در ساختار باتریها باشد.
هرچند مدل مبتنی بر اکسیژن، سرعت واکنش پایینتری داشت، اما از نظر اقتصادی و زیستمحیطی گزینهای عملیتر برای تولید انبوه محسوب میشود. با وجود این، پژوهشگران دریافتند که نور میتواند باعث تجزیه ریبوفلاوین در حضور اکسیژن شود، پدیدهای که باعث تخلیه خودکار انرژی یا همان self-discharge میشود. حتی با وجود این چالش، توان خروجی این نسخه از تمامی مدلهای پیشین گلوکزی بالاتر بود.
تیم تحقیقاتی به رهبری شون اعلام کرد که در گام بعدی قصد دارد با تغییر نحوه تعامل ریبوفلاوین با الکترولیت و بهبود طراحی سلول جریانپذیر، حساسیت آن را نسبت به نور کاهش دهد. آنها امیدوار هستند که با این اصلاحات، دوام و پایداری سامانه برای استفادههای بلندمدت افزایش یابد.
اگر این فناوری توسعه یابد، باتریهای مبتنی بر ویتامین و قند میتوانند به یکی از ارکان اصلی آینده انرژی پاک تبدیل شوند. این سامانهها با تکیه بر ترکیبات طبیعی، تجزیهپذیر و غیرسمی، راهی برای کاهش وابستگی به فلزات سنگین و زنجیرههای پیچیده تأمین جهانی فراهم میکنند.
به گفته محققان، باتریهای ریبوفلاوین–گلوکز در آینده میتوانند برای تأمین انرژی خانگی، پشتیبانی از شبکههای کوچک برق، یا حتی تغذیه دستگاههای پزشکی و حسگرهای زیستی بهکار روند.
این دستاورد علمی نهتنها از منظر فناوری، بلکه از دیدگاه زیستمحیطی نیز اهمیت فراوانی دارد. حذف عناصر سمی مانند کبالت، نیکل و وانادیوم از چرخه تولید باتری، میتواند آلودگی صنعتی را کاهش دهد و مسیر توسعه انرژیهای تجدیدپذیر را هموار کند.
به بیان ساده، دانشمندان موفق شدهاند نسخهای کوچک از همان «کارخانه تولید انرژی» بدن انسان را در قالب یک باتری واقعی بازسازی کنند، که گامی بزرگ در جهت تلفیق علم زیست و مهندسی انرژی برای ساخت آیندهای پاکتر به حساب میآید.
