סוללות ביו-חשמליות מסיסות המונעות על ידי פרוביוטיקה לשימוש זמני

צוות של מהנדסים בראשות פרופסור מאוניברסיטת בינגהמטון הציגו סוג חדש של סוללה שיכולה להתפרק בעצמה. הסוללות המסיסות הופכות לחומרים לא מזיקים, מה שהופך אותן לאידיאליות לשימוש ביישומים רפואיים, סביבתיים וביטחוניים. כאן כיצד הוכחת המושג של סוללות מתכלות יכולה לשנות את השוק ולהביא עידן חדש של פתרונות אנרגיה בטוחים ויעילים.

פסולת חשמלית: אתגר סביבתי

פסולת חשמלית נותרה בעיה רצינית. המונח מתייחס לאלקטרוניקה ומכשירים מיותרים. פריטים אלה מכילים לעיתים קרובות חומרים משומשים ורכיבים אחרים שיכולים להתפרק ולדלוף לסביבה אם לא יוטמנו כראוי. לצער, אחוז גדול מפסולת החשמל מושלך באשפה ביתית, מה שגורם לחומרים להימצא במטמנות.

סוללות הן אחד התורמים העיקריים לפסולת חשמלית. הסיבות לכך כוללות את העובדה שהן הופכות למיושנות מהר יותר מרכיבים אחרים, כגון מסכים. לצער, כ-95% מרכיבי הסוללות יכולים להיות ממוחזרים, אך הם בדרך כלל לא מנוצלים בגלל שהסוללה מושלכת לאשפה רגילה. בנוסף, פסולת סוללות מזיקה מכיוון שהיא מכילה מתכות כבדות וחומרים רעילים אחרים שיכולים לזהם את הסביבה.

אלקטרוניקה ירוקה: עיצובים ביו-בטוחים ומסיסים במים

בהכרה בצורך להתחיל את מחזור המיחזור מוקדם יותר בחיי מוצר, מהנדסים החלו ליצור אלקטרוניקה בת-קיימא. הפריטים האלה עוצבו כך שיתפרקו באופן ביו-בטוח לאורך זמן או כאשר הם באים במגע עם פריטים מסוימים כגון מים. כך, אלקטרוניקה ירוקה יכולה לסייע בהפחתת זיהום ולהפוך את האלקטרוניקה לפחות מזיקה לבריאות.

אלקטרוניקה זמנית לעומת אלקטרוניקה ביו-מסיסה

מדע זה מצא בית בתחום הרפואי, שם הוא משמש ליצירת שתלים שיכולים להתפרק אחרי שהם משלימים את מחזור הטיפול. אלקטרוניקה ביו-מסיסה צריכה להיות מיוצרת בדרך שלא תוך שימוש בחומרים שישאירו שאריות רעילות. ברמה מרשימה, מהנדסים הצליחו להתקרב ליעד זה.

אתגרים בטכנולוגיית סוללות ביו-מסיסות

הסוללה הוכחה כמחסום טכני בודד להפיכת אלקטרוניקה ביו-מסיסה למציאות. אפשרות הסוללה הנפוצה ביותר היא סוללות ליתיום-יון, שמהוות סיכונים משמעותיים כגון נסיגה תרמית וחומרים מסוכנים.

גישות מיקרוביאליות וביו-סוללות: יתרונות וחסרונות

תחום אחד בטכנולוגיית סוללות שחווה צמיחה משמעותית הוא סוללות ביו-מיקרוביאליות. הפריטים האלה מנצלים את המטען החשמלי שנוצר על ידי פעילות מטבולית של מיקרואורגניזמים. מיקרואורגניזמים נמצאים באופן טבעי בגוף האדם, על עור האדם ובמעי. שני האפשרויות האלה שימשו ליצירת סוללות ביו. עם זאת, עדיין קיימים בעיות עם הפוטנציאל לציטוטוקסיות מיקרוביאלית.

מחקר סוללות מסיסות

צוות של מדענים סבורים כי הם עברו את המגבלות האלה עם מחקרם האחרון Dissolvable Probiotic-Powered By Batteries: A Safe and Biocompatible Energy Solution for Transient Applications שפורסם בכתב העת Small. המאמר עוסק בסוללת ביו-זמנית המונעת על ידי פרוביוטיקה מסחרית, המעדיפה בטיחות ביו ותאימות. כאשר היא מתפרקת, היא משחררת מיקרואורגניזמים מועילים במקום חומרים מזיקים.

רכיבים מרכזיים של סוללת הפרוביוטיקה

סוללות הפרוביוטיקה משתמשות בארבעה רכיבים כדי לספק כוח רציף ואמין. הרכיב הראשון הוא אנודה. פני השטח של האנודה הם פוריים ומצופים בזרזים כדי לאפשר לחיידקים להיצמד אליהם בקלות יותר. שלב זה הוא חיוני לשיפור היכולת האלקטרוגנית של המיקרואורגניזמים.

Source – Binghamton University

אגן

האגן הוא הרכיב הבא במשוואה. מטרתו העיקרית היא להחזיק את המזון המיקרוביאלי. באופן מעניין, הצוות מצא ששלב זה היה אחד הקשים. הם החליטו לשפר את תערובת החיידקים המייצרים חשמל כדי לשפר את ההתנהגות האלקטרוקטליטית.

תערובת פרוביוטיקה מותאמת

הצוות ביצע מחקר מקיף בתערובות הפרוביוטיקה ששימשו. הם השתמשו בטכניקות אנליטיות וניסויות כדי לבחון ולדרג את התכונות האלקטרוגניות של התערובות. במיוחד, כל החומרים ששימשו היו זמינים מסחרית.

לאחר ביצוע המבחן, הצוות קבע 15 זנים שיהוו תערובת אידיאלית. התערובת הורכבה בעיקר מהסוגים Pediococcus pentosaceus, Lactobacillus, Bifidobacterium, Streptococcus thermophilus, Propionibacterium freudenreichii ו-Saccharomyces boulardii. במיוחד, כאשר התערובת מתפרקת, היא מייצרת חשמל כאשר הפרוביוטיקה משחררת.

תפקוד ממברנת חילוף יונים

אלקטרודות המצוירות בעיפרון פועלות כאמצעי לחילוף. פני השטח הזה מאפשר חילוף יונים על ידי קשירה ושחרור יונים לאורך מטריצה בלתי מסיסה. תהליך זה משמש גם בתהליכי טיהור מים והסרת זיהום.

עיצוב קתודה של כחול פרוסי

קתודה של כחול פרוסי המכילה זרזים נוצרה. ההתקן עוצב עם פני שטח אלקטרודה התומכים בצמיחה חייתית עם שימוש בפולימר וננו-חלקיקים. זהו הטרמינל השלילי שקולט זרם דרך גבולות השעווה המודפסים והממברנות.

ציפוי פולימר מסיס ב-pH

כל ההתקן מצופה בנייר מסיס שהוא רגיש ל-pH. כאשר הוא בא במגע עם סביבה חומצית, הוא מתחיל להתפרק. הציפוי מתפרק לאט, כדי לאפשר להתקן לשחרר את האנרגיה שלו באופן מתוכנן וצפוי. גישה זו עוזרת לשפר את הפלט המתח ואת המשך.

בכיתוב הנייר המסיס, השחרור החשמלי יכול להיות מתוזמן. הממברנה הרגישה ל-pH מבטיחה את השלמות המבנית וביצועי הכוח האופטימליים.

סוללות מסיסות – איך הן פועלות

דרך שבה הסוללה מייצרת חשמל היא על ידי שימוש במטבוליזם של ביו-קטליזטורים מיקרוביאליים. האינטראקציות יוצרות תגובות חמצון-חיזור שמייצרות אלקטרונים ופרוטונים. הזרם מופנה דרך מעגל חיצוני. הפרוטונים עוברים דרך ממברנת חילוף יונים, שמעבירה אותם לקתודה. שלב זה מאחד אותם עם האלקטרונים, ויוצר מעגל שלם.

עיצוב ובדיקת תעלות מיקרו-זורם

כדי לבדוק את התיאוריה שלהם, המהנדסים יצרו שש עיצובים שונים של תעלות מיקרו-זורם. כל עיצוב נבדק כדי לרשום את הפרמטרים שלו. הבדיקה כללה מעקב אחר מתח המעגל הפתוח (OCV) במהלך תהליך ההתפרקות. שלב זה איפשר למהנדסים להשיג תובנה עמוקה יותר לגבי איזה עיצוב מיקרו-זורם הפיק את הביצועים הטובים ביותר.

מדדי ביצועים: פלט כוח ומשך

תוצאות הבדיקה הראו כי ההתקן יכול לתמרץ פעולות למשך 25 דקות. בנוסף, דגימות הבדיקה ייצרו פלטי זרם התואמים לכל ערך נגד. הצוות הבחין כי בכפוף לתימרון אורך ההתקן או כיתובו בפולימרים רגישים ל-pH, הם יכלו לכוונן את פרמטרי הכוח.

באמצעות שיטה זו לתימרון פרמטרי הכוח, המהנדסים לא הצליחו להאריך את משך הפלט ל-100 דקות. הקבוצה הבחינה כי הסוללה סיפקה פלט של 4 µW של כוח, 47 µA של זרם, ומתח מעגל פתוח של 0.65 V.

יתרונות של סוללות פרוביוטיקה מסיסות

יש רשימה ארוכה של יתרונות שמחקר זה מביא לשוק. למשל, הסוללה היא עצמית-צומחת. פרוביוטיקה היא טבעית ושפע. כך, היא פותחת את הדלת לסוללות בעלות נמוכה זמינות.

עצמית-הרכבה

יתרון נוסף של סוללת הפרוביוטיקה הוא שהיא עצמית-הרכבה. אין צורך ליצור מתקן ייצור יקר כדי לייצר סוללות אלה. הן יכולות להרכיב את עצמן כי ההתקן מסתמך על אירועים טבעיים.

עצמית-תיקון

עיצוב הסוללה החדשה מסוגל לתקן נזקים כמו שגוף האדם מחלים. ההתקן משתמש בפרוביוטיקה, שמסוגלת לנווט מחדש וליצור תעלות חדשות כדי להשלים את משימותיה. גמישות זו משולבת עם תכונות התחזוקה העצמית.

יישומים ולוחות זמנים

קיימים מספר יישומים לטכנולוגיה זו שיכולים למהפכן את שוק הסוללות. למשל, יחידות אלה מתאימות במיוחד לשימושים ביו-רפואיים או ביו-רובוטיים. ההתקנים אינם מותירים עקבות לקיומם לאחר שהם מתפרקים. כך, הם האפשרות האידיאלית לטיפולים מושתלים.

סביבתי

ישנם גם יישומים סביבתיים לטכנולוגיה זו. מהנדסים יכולים ליצור חיישנים שמתפרקים באופן ביו-בטוח אחרי השימוש. פריטים כגון עקבות סערות וטכנולוגיית מעקב מזג אוויר אחרת יכולים להיות משולבים עם פחות התנגדות סביבתית.

ביטחון חומרה

יישומי ביטחון הם תחום נוסף שבו טכנולוגיה זו יכולה למצוא בית. אתם ראיתם את המושג הזה אם אתם צפיתם את Mission: Impossible. כאשר הדמות הראשית, איתן האנט, מקבל את ההוראות שלו, הקלטת מכריזה שהיא תתפוצץ לפני שהיא מתפוצצת לחלוטין.

מושג זה הוא רק אחד מני רבים שבהם טכנולוגיית סוללות מתכלות יכולה לשפר את הביטחון. שימוש חד-פעמי באלקטרוניקה ופריטים רגישים אחרים יכול להיות הרוס בקלות באמצעות מושג זה, מונע פסולת ומידע מיפול לידיים לא רצויות.

כלי רכב חשמליים

השימוש בסוללות מסיסות בכלי רכב חשמליים יכול להיות דרך טובה לוודא שמטמנות לא יתמלאו בסוללות של כלי רכב חשמליים. שוק כלי הרכב החשמליים הוא שוק מהיר עם דגמים חדשים הנכנסים לשירות מדי חודש. במקרים רבים, הסוללה היא העיקרית שמשודרגת ביחידה החדשה. שילוב סוללות ביו-מסיסות הוא דרך חכמה ליצור סביבה בטוחה יותר.

חקר החלל

תחום נוסף שבו אלקטרוניקה מתכלה יכולה לבלוט הוא בלוויינים. יש אלפי לוויינים המקיפים את כדור הארץ. כל אחד מהם מהווה איום פוטנציאלי לאחרים אם הם מתנגשים. כל התנגשות תוביל לאלפי פריטים קטנים יותר המסתובבים באטמוספירה, ויוצרים קיר מכשולים.

שימוש באלקטרוניקה מתכלה יכול להיות דרך חכמה למנוע מצב זה. לוויינים שתוכננו להתפרק אחרי תום השימוש יכולים לספק חלופה בטוחה שמונעת היווצרות מכשולים בחלל.

לוחות זמנים למסחור (5–10 שנים)

עלול להיות 5-10 שנים עד שסוללות מתכלות יגיעו לשוק. התקנים האלה יראו שימוש בתחום הרפואי, מה שאומר שהם יצטרכו לעבור שנים של ניסויים ובדיקות כדי לוודא את בטיחותם. לאחר קבלת רישיון, יש מספר יישומים שבהם טכנולוגיה זו תראה שימוש.

חוקרי סוללות מתכלות

מחקר הסוללות המתכלות הונהג על ידי פרופסור סוקהון “שון” צ’וי מאוניברסיטת בינגהמטון. המאמר רשום גם את Maedeh Mohammadifar ככותב משותף. במיוחד, צ’וי עבד על אלקטרוניקה מתכלה במשך עשורים. פרויקטו הקודם, פפירוניקה מתכלה, סייע להשראת ההרפתקה האחרונה שלו.

כיוונים עתידיים בסוללות פרוביוטיקה

כאשר נשאלו על תוכניותיהם למחקר, המהנדסים ציינו כי הם רוצים להשקיע יותר זמן בחקר פרוביוטיקה כדי לגלות אילו הן הטובות ביותר ולמה. המהנדסים מאמינים כי הם יכולים לקבוע אילו בעלות גנים אלקטרוניים נוספים ואיך להשתמש בהם כדי ליצור ביצועים טובים יותר.

השקעה בתעשיית הסוללות

תעשיית הסוללות היא שוק מהיר עם הרבה מתחרים המתחרים על התואר. ככל שכלי רכב חשמליים והתקנים אחרים המונעים על ידי סוללות הופכים לנורמה, הרצון לסוללות בטוחות ויעילות יותר גובר. זוהי חברה אחת שד