Поскольку мировая потребность в большом количестве портативной энергии растёт всё более быстрыми темпами, многие новаторы стремятся заменить текущую аккумуляторную технологию чем-то лучшим.
Итальянский физик Алессандро Вольта использовал фундаментальные электрохимические принципы, когда изобрёл первую батарею в 1800 году. По сути, физическое соединение двух разных материалов, обычно металлов, вызывает химическую реакцию, которая приводит к потоку электронов от одного материала к другому. Этот поток электронов представляет собой портативную энергию, которую можно использовать для выработки электроэнергии.
Первыми материалами, которые люди использовали для изготовления батарей, были медь и цинк.
Лучшие на сегодняшний день аккумуляторы — те, которые производят наибольшую электрическую мощность при наименьшем возможном размере — соединяют металлический литий с одним из нескольких различных металлических соединений.
На протяжении веков происходили устойчивые улучшения, но современные батареи основаны на той же стратегии, что и батарея Вольта: соединять вместе материалы, которые могут вызывать электрохимическую реакцию и захватывать образующиеся электроны.
Но, как описано в книге Тимоти Дж. Йоргенсена, директора Высшей программы по физике здоровья и радиационной защите и профессора радиационной медицины Джорджтаунского университета «Искра: жизнь электричества и электричество жизни», ещё до того, как искусственные батареи начали генерировать электрический ток, было хорошо известно, что электрические рыбы, такие как рыбы-торпеды (Torpedo torpedo) Средиземноморья и особенно различные виды пресноводных электрических угрей Южной Америки (отряд Gymnotiformes), производят электрические разряды ошеломляющих размеров.
Фактически, электрические рыбы вдохновили Вольту на проведение оригинального исследования, которое в конечном итоге привело к его батарее, и сегодняшние «учёные-батареечники» всё ещё обращаются к этим электрифицирующим животным в поисках идей.
Фото: zooclub.ru
Копирование электрического органа угря
До появления батареи Вольта единственным способом выработки электроэнергии для людей было трение различных материалов, обычно шёлка по стеклу, и улавливание полученного статического электричества. Это не было ни простым, ни практичным способом получения полезной электроэнергии. Вольта знал, что у электрических рыб есть внутренний орган, специально предназначенный для выработки электричества. Он рассудил, что если бы ему удалось воспроизвести его работу, он мог бы найти новый способ генерировать электричество.
Электрический орган рыбы состоит из длинного множества клеток, очень похожих на стопку монет. Итак, Вольта вырезал диски, похожие на монеты, из листов различных материалов и начал складывать их друг на друга в разной последовательности, чтобы посмотреть, сможет ли он найти какую-либо комбинацию, которая будет производить электричество. Эти эксперименты по укладке продолжали давать отрицательные результаты, пока он не попытался соединить медные диски с цинковыми, разделив при этом сложенные пары бумажными дисками, смоченными солёной водой. Эта последовательность медь-цинк-бумага случайно производила электричество, и электрическая мощность была пропорциональна высоте штабеля.
Вольта думал, что раскрыл секрет того, как угри генерируют электричество, и что он фактически создал искусственную версию электрического органа рыбы, поэтому сначала он назвал своё открытие «искусственным электрическим органом». Но это не так.
Что на самом деле делает угрей наэлектризованными
Учёные теперь знают, что электрохимические реакции между разнородными материалами, которые обнаружил Вольта, не имеют ничего общего с тем, как электрический угорь вырабатывает электричество. Скорее угорь использует подход, аналогичный тому, как нервные клетки человека генерируют свои электрические сигналы, но в гораздо большем масштабе.
Специализированные клетки в электрическом органе угря перекачивают ионы через полупроницаемый мембранный барьер, создавая разницу электрических зарядов между внутренней и внешней мембраной.
Когда микроскопические ворота в мембране открываются, быстрый поток ионов с одной стороны мембраны на другую генерирует электрический ток. Угорь может одновременно открыть все свои мембранные ворота по желанию, чтобы произвести мощный разряд электричества, который он целенаправленно выпускает на свою добычу.
Электрические угри не убивают свою жертву током; они просто электрически оглушают её перед атакой. Угорь может генерировать сотни вольт, но напряжение угря не обеспечивает достаточного тока (ампер) в течение достаточно долгого времени, чтобы убить. Каждый электрический импульс угря длится всего пару тысячных секунды и выдает менее 1 ампера. Это всего 5% от бытовой силы тока. Это похоже на то, как работают электрические заборы, подавая очень короткие импульсы электричества высокого напряжения, но с очень низкой силой тока. Таким образом, они шокируют, но не убивают медведей или других животных-нарушителей, которые пытаются пройти через них. Он также похож на современное электрошоковое оружие, которое работает, быстро подавая импульс чрезвычайно высокого напряжения (около 50 000 вольт) с очень низкой силой тока (всего несколько миллиампер).
Фото: habr.com
Современные попытки имитировать угря
Как и Вольта, некоторые современные учёные-электрики, стремящиеся изменить аккумуляторную технологию, черпают вдохновение в электрических угрях. Группа учёных из США и Швейцарии в настоящее время работает над новым типом батареи, вдохновлённой угрями. Они предполагают, что их мягкая и гибкая батарея когда-нибудь может быть полезна для внутреннего питания медицинских имплантатов и роботов. Но команда признаёт, что им ещё предстоит пройти долгий путь.
«Электрические органы угрей невероятно сложны; они намного лучше генерируют электроэнергию, чем мы», — пожаловался Майкл Майер, член команды из Университета Фрибурга.
В 2019 году Нобелевская премия по химии была присуждена трём ученым, разработавшим литий-ионный аккумулятор. Присуждая награду, Шведская королевская академия наук заявила, что работа лауреатов «заложила основу для общества, свободного от ископаемого топлива и беспроводной связи». «Беспроводная» часть, безусловно, верна, поскольку литий-ионные батареи теперь питают практически все портативные беспроводные устройства.
Но придётся подождать и посмотреть на заявление об «обществе без ископаемого топлива», потому что сегодняшние литий-ионные батареи перезаряжаются электричеством, часто вырабатываемым при сжигании ископаемого топлива.
О вкладе электрических угрей не упоминалось.
Однако позже в том же году учёные из Смитсоновского института объявили об открытии нового южноамериканского вида электрического угря; это, в частности, самый мощный из известных генераторов биоэлектричества на Земле. Исследователи зафиксировали электрический разряд одного угря при напряжении 860 вольт, что намного выше, чем у предыдущего рекордсмена вида угря, Electrophorus electricus, который работал на 650 вольт, и в 200 раз выше, чем максимальное напряжение одиночного литий-ионного аккумулятора (4,2 вольта).
Точно так же, как люди пытаются поздравить себя с величием новейшего портативного источника энергии, электрические угри продолжают унижать своим.