الهام از مارماهی های الکتریکی برای ساخت باتری

10 مه 2022توسط تیموتی جی. یورگنسن، گفتگو ـ  مارماهی برقی در آکواریوم سوما. اعتبار: harum.koh/Wikimedia Commons، CC BY-SA 2.0

از آنجایی که نیاز جهان به مقادیر زیادی انرژی قابل حمل با سرعت فزاینده ای در حال افزایش است، بسیاری از مبتکران به دنبال جایگزینی فناوری فعلی باتری با چیزی بهتر هستند.

الساندرو ولتا، فیزیکدان ایتالیایی، هنگام اختراع اولین باتری در سال 1800، اصول اساسی الکتروشیمیایی را مورد استفاده قرار داد. اساساً، اتصال فیزیکی دو ماده مختلف، معمولاً فلزات، یک واکنش شیمیایی ایجاد می کند که منجر به جریان الکترون از یک ماده به ماده دیگر می شود. این جریان الکترون نشان دهنده انرژی قابل حملی است که می تواند برای تولید نیرو مهار شود.

اولین موادی که مردم برای ساخت باتری استفاده کردند مس و روی بود. بهترین باتری های امروزی – آنهایی که بالاترین خروجی الکتریکی را در کوچکترین اندازه ممکن تولید می کنند – لیتیوم فلزی را با یکی از چندین ترکیب مختلف فلزی جفت می کنند. در طول قرن‌ها پیشرفت‌های ثابتی وجود داشته است، اما باتری‌های مدرن بر همان استراتژی ولتا تکیه دارند: موادی را که می‌توانند واکنش الکتروشیمیایی ایجاد کنند و الکترون‌هایی را که تولید می‌شوند را با هم جفت کنند.

اما همانطور که در کتابم «جرقه: زندگی الکتریسیته و الکتریسیته زندگی» توضیح می‌دهم، حتی قبل از اینکه باتری‌های ساخت بشر شروع به تولید جریان الکتریکی کنند، ماهی‌های الکتریکی مانند ماهی‌های اژدر آب شور  مدیترانه و به ویژه انواع مختلف آن شروع به تولید جریان الکتریکی کردند. گونه‌های مارماهی الکتریکی آب شیرین آمریکای جنوبی Gymnotiformes به خوبی شناخته شده اند که خروجی‌های الکتریکی با نسبت‌های خیره‌کننده تولید می‌کنند. در واقع، ماهی های برقی ولتا را الهام بخشیدند تا تحقیقات اولیه ای را انجام دهد که در نهایت منجر به ساخت باتری او شد، و دانشمندان امروزی باتری هنوز به دنبال ایده هایی از این حیوانات برق زا هستند.

کپی برداری از اندام الکتریکی مارماهی

قبل از باتری ولتا، تنها راه برای مردم برای تولید الکتریسیته مالیدن مواد مختلف، معمولا ابریشم بر روی شیشه، و گرفتن الکتریسیته ساکن حاصله بود. این یک راه آسان و نه عملی برای تولید نیروی الکتریکی مفید نبود.

ولتا می‌دانست که ماهی‌های برقی یک اندام داخلی دارند که به طور خاص به تولید برق اختصاص دارد. او استدلال کرد که اگر بتواند عملکرد آن را تقلید کند، ممکن است بتواند راهی جدید برای تولید برق بیابد.

اندام الکتریکی ماهی از سلسله های طولانی سلولی تشکیل شده است که بسیار شبیه یک رول سکه هستند. بنابراین ولتا دیسک‌های سکه‌ای را از ورقه‌های مواد مختلف جدا کرد و شروع به چیدن آن‌ها به ترتیب مختلف کرد تا ببیند آیا می‌تواند ترکیبی پیدا کند که برق تولید کند. این آزمایش‌های انباشته‌سازی همچنان نتایج منفی به همراه داشت تا اینکه او سعی کرد دیسک‌های مسی را با دیسک‌های روی جفت کند، در حالی که جفت‌های روی هم را با دیسک‌های کاغذی خیس شده با آب شور جدا کرد.

این توالی کاغذ مس-روی به طور اتفاقی الکتریسیته تولید کرد و خروجی الکتریکی متناسب با ارتفاع پشته بود. ولتا فکر می‌کرد راز چگونگی تولید الکتریسیته مارماهی‌ها را کشف کرده است و در واقع نسخه‌ای مصنوعی از اندام الکتریکی ماهی تولید کرده است، بنابراین در ابتدا کشف خود را «ارگان الکتریکی مصنوعی» نامید. اما اینطور نبود.

چیزی که واقعاً مارماهی ها را برق می بخشد

اکنون دانشمندان می‌دانند که واکنش‌های الکتروشیمیایی بین مواد غیرمشابهی که ولتا کشف کرد، ارتباطی با نحوه تولید الکتریسیته توسط مارماهی الکتریکی ندارد. در عوض، مارماهی از رویکردی مشابه روشی که سلول‌های عصبی ما سیگنال‌های الکتریکی خود را تولید می‌کنند، استفاده می‌کند، اما در مقیاس بسیار بزرگ‌تر.

سلول‌های تخصصی درون اندام الکتریکی مارماهی یون‌ها را از طریق یک مانع غشایی نیمه‌تراوا پمپ می‌کنند تا اختلاف بار الکتریکی بین داخل و خارج غشا ایجاد کنند. هنگامی که دروازه های میکروسکوپی در غشا باز می شوند، جریان سریع یون ها از یک طرف غشا به سمت دیگر جریان الکتریکی ایجاد می کند. مارماهی قادر است به طور همزمان تمام دروازه های غشایی خود را به میل خود باز کند تا تکان عظیمی از الکتریسیته تولید کند که به شکلی هدفمند بر روی طعمه خود رها می کند.

مارماهی های برقی به طعمه خود شوک وارد نمی کنند. آنها فقط قبل از حمله آن را به طور الکتریکی بی حس می کنند. یک مارماهی می تواند صدها ولت برق تولید کند (پریزهای خانگی در آمریکا 110 ولت هستند)، اما ولتاژ مارماهی به اندازه کافی جریان (آمپراژ) را برای مدت طولانی برای کشتن فشار نمی آورد. هر پالس الکتریکی از یک مارماهی تنها چند هزارم ثانیه طول می کشد و کمتر از 1 آمپر می دهد. این فقط 5 درصد از جریان برق خانگی است.

این شبیه نحوه کار حصارهای الکتریکی است که پالس های بسیار کوتاهی از برق با ولتاژ بالا را ارائه می دهند، اما با آمپراژ بسیار پایین. بنابراین آنها خرس ها یا سایر حیوانات مزاحم را که سعی می کنند از آنها عبور کنند شوکه می کنند، اما نمی کشند. همچنین شبیه یک سلاح الکتروشوک مدرن تاسر است .

از این دانش در ساخت باتری های جدید استفاده می شود و هنوز در ابتدای کار است اما در آینده نتایج آن گسترش خواهد یافت .