Можно ли сделать съедобный источник питания или принцип работы абиотического топливного элемента. Часть 1: Теория

    В интернете есть множество инструкций как сделать «съедобные» батарейки из лимонов, и т.д. Но съедобность таких устройств под вопросом, так как электроды, как правило, представляют из себя металлические пластины (обычно цинк и медь), а съедобным является, по сути, только электролит, роль которого играет лимон. Недавно я задалась вопросом, а можно ли создать полностью съедобную батарейку?

    Сразу поясню, батарейка должна быть не из биосовместимых, а именно из съедобных компонентов. Конечно, легко можно было бы сделать съедобный суперконденсатор из активированного угля, но, как известно, энергоёмкость суперконденсаторов очень низкая по сравнению с аккумуляторами.

    Самая главная трудность такой идеи- найти подходящие электроды/токоприёмники. Надо, во-первых, чтобы съедобный материал обладал хорошей проводимостью, а во-вторых, мог бы участвовать в электрохимических реакциях. И первое, что приходит на ум когда размышляешь о съедобных проводниках- пищевые красители Е174 и Е175, они же пищевое золото и серебро. Но в каких электрохимических реакциях могут быть использованы эти материалы, если они стоят недалеко друг от друга в электрохимическом ряду напряжений? Но тут надо вспомнить, что золото и серебро обладают электрокаталитической активностью. А где в электрохимических источниках питания используются катализаторы? В топливных элементах!

    Как же работает топливный элемент? Так же как и другие электрохимические источники питания, топливные элементы имеют два электрода, погружённые в электролит. Но отличие от аккумуляторов и суперконденсаторов, эти электроды являются не активными материалами, а катализаторами, на которых происходит окисление «топлива», которое подводится извне, и восстановление окислителя. Например, в классическом примере топливного элемента на водороде, топливом является водород, а окислителем- кислород. Кстати, по сравнению с другими электрохимическими источниками питания, например, аккумуляторами и суперконденсаторами, топливные элементы самые энергоёмкие, так как они работают, пока к электродам подводятся реагенты. Но их недостаток- низкая мощность, ограниченная скоростью электрохомических реакций и скоростью подвода топлива и окислителя к электродам.

    image

    Но вернёмся к идее съедобного топливного элемента. Если роль окислителя может играть кислород из воздуха, то что можно использовать в виде съедобного топлива? Поискав варианты топливных элементов в научной литературе, я наткнулась на интересное решение. Оказывается, в виде топива может использоваться обыкновенная глюкоза, и такой тип устройств называется абиотический топливный элемент.

    image

    Напряжение такий ячеек обычно меньше 0.5 V, токи- пара десятков микроампер на квадратный сантиметр электрода, так что телефон таким устройством не зарядить, но в данный момент абиотические топливные элементы разрабатываются для использования как элементы питания в биомедицинских микроэлектромеханических системах (БиоМЭМС), которые должны имплантироваться в человеческое тело. Почему «абиотические»? А дело в том, что существует несколько видов топливных элементов, использующих глюкозу в виде топлива: энзиматические, микробные и абиотические. Энзиматические топливные элементы используют изолированные ферменты для окисления глюкозы. Но проблема в том, что ферменты быстро деактивируются, и такие системы обычно быстро теряют мощность, что для имплантируемых систем является большой проблемой. Микробные топливные элементы, в свою очередь, используют микроорганизмы, что тоже непрактично для применения внутрь из-за рисков инфекции. В отличие от вышеописанных систем, абиотические топливные элементы для переработки глюкозы используют не живые организмы или биомолекулы, а благородные металлы.

    Идеальный дизайн такого устройства выглядит следующим образом: два металлических катализатора погружаются в раствор глюкозы, в котором также присутствует растворенный кислород. При этом, один из электродов является избирательным катализатором для окисления глюкозы, а другой- для восстановления кислорода. То есть, съедобный топливный элемент можно было бы теоретически сделать в виде сладкого желе, с одной стороны покрытого пищевым золотом, которое бы окисляло глюкозу, а с другой-серебром, восстанавливающим кислород. Но будет ли такое устройство работать?

    И тут мы сталкиваемся со второй сложностью для создания съедобного топливного элемента: большинство благородных металлов имеют каталитическую активность и к окислению глюкозы, и к восстановлению кислорода. То есть, даже если серебро менее «чувствительно» к глюкозе и имеет лучшую каталитическую активность для восстановления кислорода, напряжение нашей ячейки будет меньше 0.5 V, так как на аноде и катоде будет параллельно идти реакция восстановления кислорода.

    В общем, хотелось бы проверить эти теоретические размышления на практике, так что в следующих постах будет рассказано о попытках сконструировать съедобный абиотический топливный элемент в домашних условиях.
    Поделиться публикацией
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 25

      +7
      Так и видится недалекой будущее

      Открыл печеньку, а там рекламка — сначала выслушай рекламку, посмотри ролик, а потом уже кушай печеньку.

      P.S. сразу скушать нельзя — пока реакция в съедобной батарейке не прошла и она не разрядилась — она не вкусная.
        +1
        Допустим, сделали съедобный элемент питания и съедобный чип. Как будем делать съедобный динамик? Обмотку, допустим, сделали из органического проводника, а магнит? Может, тогда пьезо? Так съедобных пьезоэлектрических материалов тоже пока нет. Ладно, преодолели эти трудности, теперь новая: как будем делать съедобный дисплей?
        А сделают и это — проблема возникнет уже перед гиками: как эту хрень сделать перезаряжаемой, долгоживущей и с возможностью записи своего контента, как в незабвенном плеере Vogue.
          0
          Динамик, по-идее, можно сделать с двумя катушками, по аналогии с коллекторным двигателем вместо синхронного.
            0
            Сердечник-то всё равно понадобится. Ну, магнитомягкий вместо магнитотвёрдого — но всё равно ферромагнитный. Известно ли сейчас что-либо фероомагнитное и съедобное одновременно?
            Наверное, только батарейку будут делать съедобной, а модуль плеера — просто миниатюрным, герметичным и биоинертным, чтобы не переваривался и выходил по принципу АЭС ЖКТ.
            Гики будут выдирать этот модуль, разряжать съедобную батарейку на эквивалентное сопротивление, раз уж она без этого вкусной не становится, а модуль запитывать от более долговечного источника и хакать по Vogue-вскому принципу.
            Кстати, «говорящие пробки» тут никто не хакал, пытаясь, например, собственный голос туда записать?
              0
              А в чём проблема ферромагнетиков? Разве нельзя сделать феррит не спеканием, а склеиванием порошка чем-нибудь типа той же сахарозы?
                0
                Ну, склеиванием, но чего? Ну, допустим, частиц Fe2O3. Забыл, биологически инертен ли он.
                Теперь дисплей. Жидкие кристаллы получают из холестерина, но наверняка обрабатывая его таким образом, что он теряет съедобность, или добавляя что-нибудь несъедобное. Прозрачные проводники — оксид индия-олова — как с биологической инертностью у него? А стекло — оно стекло и есть, и ничем другим его там заменять пока не научились. Вроде как биологически инертно, но стоит ему треснуть, как скол начинает представлять механическую опасность для ЖКТ.
                • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                    0
                    Если бы там любой прозрачный материал подходил, стекло в ЖКИ давно заменили бы на что-нибудь другое, например, поликарбонат. Но нельзя: слишком уж специфические требования.
                    Ах да, забыл: поляризаторы. Им, в отличие от самого индикатора, позволено быть мягкими, но вот биологически инертны/совместимы ли они?
                      0
                      Можно было бы нанести на обычное прозрачное желе тонкую плёнку проводника (того же золота и серебра)- настолько тонкую, что желе сохранит прозрачность. Но как это сделать при комнатной температуре -загадка.
                        0
                        ЖКИ теряют свойства при изгибе.
              0
              можно делать массивы крохотных динамиков и светоизлучателей, чтобы их можно было без вреда проглотить потом. Главное, чтобы на зубах не хрустело.
                +1
                Пиксели на биолюминисценции, звук создавать мышечными волокнами. Код воспроизведения записывать в нейросеть.
                  0
                  У подобных топливных элементов не хватит мощности, чтобы запитать гипотетический съедобный дисплей (или его размеры будут несовместимы с печеньками). А вот помигать органическим светодиодом-уже ближе к реальности. Осталось найти биополимеры, похожие по структуре на полупроводники, которые используются в органических светодиодах.
                • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                    0
                    придумают что-то еще… Рекламные сны, например. Спишь и видишь рекламу.
                      0
                      Светоскоростные шорты, ага…
                        +1
                        Сны плохи для рекламы, они забываются.
                          0
                          Действие прямиком на подсознание — лучше не придумать.
                    +2
                    Электродом может быть не только чистый металл, но и соединение. Например, в марганцево-цинковой батарейке не марганец, а оксид марганца. И даже органическое соединение — но в этом случае для отвода тока надо будет использовать графит (активированный уголь). Но можно и карбонаты, например. Т.е. два электрода из угля, между ними пакет из анодного раствора, пористой мембраны, катодного раствора. У меня сейчас нет под рукой таблицы электродных потенциалов, чтобы сказать, какое получится напряжение, например, от CaCO3 и NaCl. На правах безумной идеи пойдет
                      +2
                      Вообще интересно. Только соединения серебра достаточно ядовиты — а само серебро при тех площадях, которые нужны для катализа, должно окисляться до этих самых соединений.
                      Сходу нагуглил «в качестве катализатора гидрогенизации пищевых масел, максимальное остаточное количество [Е174, серебра] 0,1 мг/кг (п. 5.2.18 СанПиН 2.3.2.1293-03)».
                        0
                        Как вариант, можно рассмотреть симметричные золотые электроды, только к одному из них как-то ограничить доступ кислорода… Хотя напряжение в таком случае, наверное, будет совсем низким.
                        +1
                        Представляю картину — отец пришел с работы футбол посмотреть, а мелкий (сынуля) сьел батарейки в пульте от телевизора!
                          +1
                          Кстати, если в пищевом продукте, использовавшемся в ходе опыта в качестве источника электролита, побывали металлические электроды, и некоторое время с элемента снимался ток — всё, это более не пищевой продукт, даже если электроды потом извлечь, ионы металлов-то там остались, а многие из них заметно ядовиты.
                            +1
                            Тут плюс такой батарейки вовсе не в съедобности, а в биоразлагаемости! Такую батарейку можно смело выбрасывать с чистой совестью, не беспокоясь о переработке и экологичности!
                              0
                              Тему топливных элементов на глюкозе для имплантов уже несколько лет копают:

                              http://www.nkj.ru/archive/articles/19917/
                              http://www.infoniac.ru/news/Razrabotan-toplivnyi-element-rabotayushii-na-glyukoze.html

                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                              Самое читаемое