Geleceğin pilleri virüslerden yapılmış olabilir
Yeni taç virüsü dünyanın en büyük düşmanı haline geldi.
Birçok insanın evde "kendi kendine hapse atmasına" izin verdi. Sosyal hayvanlar 996 yaşamına son verdi, ancak 007'nin ev ofis işini başlattılar. Ayrıca ilkokul öğrencilerini çevrimiçi kurs yazılımına bir yıldız vermek için bir ekip kurmaya zorladı.
Tüketim arzumuzu bastırmak zorunda bırakıyor Küresel film endüstrisi salgın nedeniyle 5 milyar ABD doları zararla karşı karşıya ve küresel havacılık sektörünün geliri 113 milyar ABD doları azalabilir.
New York Times'ın fotoğrafı
Bu özel dönemde kimse virüse bulaşmak istemiyor gibi görünüyor ama virüsü insanlığa fayda sağlamak için kullanmak isteyen bilim adamları da var.
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde biyomühendislik profesörü olan Angela Belcher, virüs yapımı bir bataryayı başarıyla geliştirdi ve nihai hayali, "virüs bataryası" ile çalışan bir arabayı sürebilmektir.
Bir virüs pili yapın
Virüs pilleri aslında yeni bir teknoloji değildir. 2009'un başlarında, Angela Belcher liderliğindeki bir bilimsel araştırma ekibi, hücre boyutunda küçük bir pil oluşturmak için yalnızca 6 nanometre çapında bir virüs kullanmıştı.
Bu araştırma aynı zamanda dönemin ABD Başkanı Barack Obama'nın da ilgisini çekti.Belcher, Obama'ya virüs pilini göstermek için Beyaz Saray'a davet edildi. O zamanlar Obama, yeni pil teknolojisinin gelişimini desteklemek için 2 milyar ABD doları yatırım yapmayı planlıyordu ve Belcher'in virüs pili, pil alanında yeni bir yön ortaya koydu.
. Kaynak: kablolu
Bilim adamları pil yapmak için virüsleri nasıl kullanır? Virüs pil ile normal pil arasındaki fark nedir? Bu soruları cevaplamak için önce pilin çalışma prensibini anlamalısınız.
Genel olarak lityum pillerin deşarjı ve şarjı, elektrolit boyunca pozitif elektrot ve negatif elektrot arasındaki dahili lityum iyonlarının hareketiyle gerçekleştirilir.Pozitif elektrotta kullanılan malzeme genellikle sülfat veya lityum iyonu olsun, genellikle fosfattır, bu malzeme de yaygın olarak mevcuttur. Yeryüzündeki çeşitli yaşam formları arasında, canlıları pil yapmak için kullanmak mantıken mümkündür.
Ancak bu tür bir pil yapmak için önce elektrot ve tel görevi görebilecek biyolojik bir yapı bulmalıyız. Belcher ilk başta yapay sinir lifleri kullanmayı planladı, çünkü hayvan sinir liflerinin sonu doğal nanoteller, ancak bu yöntemin maliyeti ve teknik zorluğu çok yüksek ve ancak vazgeçilebilir.
Daha sonra Belcher cevabı denizkulağı kabuğunda buldu ve deniz kulağının kalsiyum karbonat moleküllerini mineral bakımından zengin sudan çıkarabilen ve bunları vücutta bir deniz kulağı kabuğu oluşturacak şekilde düzenleyebilen bir protein salgılayabildiğini buldular. Böylece Belcher, bu proteini kodlayan geni virüse naklederek virüse elektrotlar ve teller yapmak için kullanılan nanoyapılar oluşturma yeteneği verdi.
Abalone kabuğu. Fotoğraf: Monad Denge Merkezi
Doğal koşullar altında, deniz kulağının tam bir kabuk oluşturması 15 yıl sürer, ancak gen düzenlemesinden sonra virüsün laboratuvarda bir elektrot üretmesi yalnızca iki hafta sürer.
Milyonlarca virüsü analiz ettikten sonra, araştırma ekibi nihayet sadece 6 nanometre çapında ve 880 nanometre uzunluğunda puro şeklindeki bir virüs olan M13 bakteriyofajını seçti. Bu virüs sadece mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmekle kalmaz, aynı zamanda basit genetik materyale sahiptir ve manipüle edilmesi kolaydır.
Bu virüs, deniz kulağına benzer şekilde yüzeyde kobalt oksit partiküllerini adsorbe eden ve kabuğu örten bir protein üretir.Milyonlarca virüs bağlandığında, elektrot olarak kullanılabilecek bir kobalt oksit teli oluşabilir.
Bu süreçte hatta bağlı olan bu virüslerin hepsi canlıdır. Hepimizin bildiği gibi, virüslerin hayatta kalmak için bir konakçıya ihtiyacı vardır.Araştırmacılar, virüsü çok sayıda kopyalamak için virüsü zararsız bakterilerle enfekte ederler.
Bu şekilde üretilen batarya, Sadece pilin enerji yoğunluğu, ömrü ve şarj verimliliği iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda üretim süreci de daha çevre dostudur. . Mikro bataryada kullanılan karbon nanotüp elektrot materyali ile karşılaştırıldığında, virüs tarafından monte edilen elektrotun enerji depolama verimliliği iki kat artmıştır.
Purdue Üniversitesi tarafından geliştirilen antimon nano zincir anotu.
Pillerde nano yapıların elektrot malzemesi olarak kullanılması, son yıllarda mevcut lityum pillerin darboğazını kırmak için önemli bir yön olarak görülüyor. Nano elektrotlar, yüklü iyonları giderek daha hızlı emip serbest bırakabildiğinden, piller daha küçük, daha hafif ve kapasite olarak daha büyük hale getirilebilir.
Johns Hopkins Üniversitesi Uygulamalı Fizik Laboratuvarı'nda kıdemli bir pil araştırma bilimcisi olan Konstantinos Gerasopoulos, virüsleri kullanmanın avantajının, aslında pil malzemelerinin sentezi için doğal bir şablon olan "nano" biçiminde var olmaları olduğunu söyledi.
Elbette, pil yapmak için virüs kullanmanın, virüs sızarsa ve insanlara bulaşırsa, tehlikeli değil mi?
Belcher, kullandıkları virüslerin genetik olarak zararsız olduğunu ve yalnızca belirli bakteriyel konakçıları enfekte edeceğini ve ölümcül olmadığını, sadece enfekte bakterilerin büyümesini yavaşlatacağını söyledi. Ayrıca bu tür piller hurdaya çıkarıldıktan sonra biyolojik olarak parçalanabilir ve geçmişte lityum pil gibi çevreyi kirletmeyecektir.
Angela Belcher. Resim: MIT News
10 yıllık araştırmalardan sonra, Belcher'ın virüs pili birçok yeni atılım yaptı. Virüs, güneş pilleri gibi ürünler yapmak için halihazırda 150'den fazla malzeme ile kullanılabiliyor.
Bu virüs pili sadece el fenerleri, lazer işaretçiler, saatler ve LED ışıklar gibi küçük elektronik cihazlara güç verebilse de, Belcher bu teknolojiyi pazara sunmaya çalışıyor ve Cambrios adında iki biyoteknoloji şirketi kurdu. Teknolojiler ve Siluria Teknolojileri, dokunmatik ekranlar için nanotelleri sentezlemek ve karbondioksiti etilene dönüştürmek için virüsleri kullanır.
Belcher'ın virüs pil prototipi. Resim: MIT Müzesi
Bununla birlikte, Belcher'ın ideal "viral pille çalışan otomobilini" gerçekleştirmek hala zordur Virüs pillerinin ticarileştirilmesinde iki büyük sorun vardır.
Birincisi, virüsün boyutu çok küçük ve tipik bir pil fabrikası için gereken hammaddeler onlarca ton kadar yüksek. Mevcut biyomoleküler teknoloji ile bu ölçekte seri üretime ulaşmak kolay değil ancak Gerasopoulos, "bu engelin gelecekte aşılamaz olmadığını" söyledi.
Tesla'nın süper pil fabrikası.
İkincisi, virüs pillerinin performansı geleneksel piller kadar iyi değil Belcher güneş pilleri üretmek için virüsler kullandı, ancak teknik verimliliği perovskite güneş pilleriyle karşılaştırılamaz.
Yukarıda bahsedilen deniz kulağı, kalsiyum moleküllerini düzenli bir şekilde bir kabuk oluşturacak şekilde düzenleyebilir.Virüs pili bu prensibe dayanmasına rağmen, virüs düzeneğinin elektrot yapısı hala rastgeledir.Belcher ekibi, virüs üretiminin nasıl daha düzenli hale getirileceğini araştırıyor Elektrot yapısı.
Mevcut virüs bataryası yeterince olgun olmasa da Belcher, araştırmasının bazı çözülmemiş sorunları çözmek için biyoteknolojiyi kullanmak olduğunu söyledi.
Belcher, virüs pillerine ek olarak, tümörleri tespit edebilen nanopartiküller geliştirmek için virüs birleştirme teknolojisini de kullandı.Doktorlar tarafından tespit edilemeyecek kadar küçük kanser dokularını bulabilir ve bu da erken kanser hücrelerinin tespitini büyük ölçüde geliştirir.
Bu virüs nanopartikülü vücuda girdiğinde, kanser hücrelerine hedeflenmiş bir şekilde bağlanacak ve kanser hücrelerinin yerini işaretlemek için kızılötesi ışık ışınlaması altında floresan yayacaktır. Fareler üzerinde yapılan deneylerde, bu teknoloji, yumurtalık kanseri ameliyatı geçiren farelerin yaşam süresini% 40 oranında başarıyla uzattı.
100 yıldan daha uzun bir süre önce, insanlar elektrik üretmek için bakteri kullanmaya başladı
Pilleri yapmak için virüs kullanma kavramı yeni görünebilir, ancak insanların 100 yıldan daha uzun bir süre önce elektrik üretmek için mikroorganizmaların enerjisini kullanmaya başladığını bilmiyor olabilirsiniz.
1911'de İngiliz botanikçi Michael Cressé Potter, Escherichia coli'nin organik maddenin kimyasal enerjisini elektrik enerjisine dönüştürebildiğini keşfetti.Elektrot olarak platini kullandı ve dünyanın ilk bakteri pilini yapmak için Escherichia coli ve maya kültür solüsyonunu kullandı.
Bununla birlikte, Japon bilim adamı Suzuki'nin modern mikrobiyal yakıt hücresini (MFC) üretmesi 1976 yılına kadar değildi. 1980'lerde, Londra Kraliyet Koleji'nden Peter Bennetto, bakterilerin pil paketindeki molekülleri ayrıştırmasına ve elektronları bir bilgisayar üretmek için anoda hareket etmesine izin vermek için besin olarak şeker çözeltisini kullandı. Hesaplamalara göre, bu bakteri hücresinin güç üretim verimliliği günümüzün güneş pillerinden bile daha yüksek. % 40 daha yüksek.
Son birkaç on yılda, insanlar elektrik üretebilen daha fazla bakteri keşfettiler. Yeraltı uranyum kirletici maddelerini uzaklaştırmak için kullanılan jeobakterilerden bağırsaklarımızdaki anaerobik Enterococcus faecalis'e kadar, hepsi elektronları elektrik üretmek için transfer etme yeteneğine sahiptir.
Nature dergisinde yayınlanan "hava ile çalışan jeneratör" çalışması, kısa bir süre önce, Geobacter mikroorganizması tarafından üretilen iletken protein nanotellerini elektrot olarak 7 mikronluk bir film oluşturmak için kullandı.
Protein nanotel elektroda bağlandığında, filmi havadan suyu emmek için kullanabilir.Su molekülleri hidrojen iyonlarına ve oksijen iyonlarına ayrışarak filmin üstünde yüklerin birikmesine neden olur.İki elektrot arasındaki yük farkı, elektronların akmasına izin vermek için kullanılır. Elektrik üretmek.
Araştırmalar, bu tür bir "hava jeneratörünün" herhangi bir harici güce ihtiyaç duymadan 7/24 elektrik üretebileceğini söylüyor. Sahra Çölü gibi aşırı kuru yerlerde bile elektrik üretebilir. Şu anda, "hava jeneratörleri" zaten küçük elektronik cihazlara güç sağlayabilir.
Ek olarak, bakterilerden yapılmış güneş pilleri, bulutlu günlerde normal olarak elektrik üretebilir. British Columbia Üniversitesi'ndeki araştırma ekibi, Escherichia coli'yi, yalnızca benzer cihazlardan daha güçlü bir akım üretebilen, aynı zamanda ışık yoğunluğundan neredeyse hiç etkilenmeyen ucuz ve sürdürülebilir bir güneş pili geliştirmek için kullandı.
Araştırmacılar E. coli'yi likopen üretmek için genetik olarak modifiye etmişlerdir.Bu pigment ışığı emer ve yüksek verimle enerjiye dönüştürür.Bir mineral ile birleşip cam yüzeyini kaplayarak pil anodu olarak kullanılabilir.
Bakteriyel güneş pilinin şematik diyagramı.
Ancak bu teknoloji henüz başlangıç aşamasındadır ve elektrik üretimi sürecinde bakteriler ölecektir ve geleneksel güneş pillerinin güç üretim kapasitesine ulaşmak zordur. Araştırmacılar, bu bakteri pilini madenler ve derin deniz keşifleri gibi düşük ışıklı ortamlarda kullanmayı umuyorlar.
Elektrik üretmek için bakteri kullanmanın avantajı, bu biyoyakıt hücrelerini çalıştıran besin maddelerinin her yerde olması ve maliyetin yüksek olmamasıdır. Çürük meyveler, endüstriyel atık su, evsel atık su ve hatta idrar ve fosseptik suyu çevre dostu ve ekonomik olan besin maddesi olarak kullanılabilir.
Kaynak: Yeni Çerçeve
İngiltere Batı Üniversitesi biyoenerji araştırma ekibi, 2015 yılında üniversite kampüsüne iki mobil tuvalet kurdu ve pisuvarlara mikrobiyal yakıt hücrelerinden oluşan 8 pil modülü yerleştirdi ve bu mikrobiyal yakıt hücrelerini çalıştırmak için idrar kullandı. LED ışıklar elektrik üretir.
Bakterileri elektrik üretmek için yönlendiren idrarın şematik diyagramı. Resim: Yeni Çerçeve
Ayrıca araştırma ekibi, cep telefonlarına elektrik üretmek için de benzer bir yöntem kullanmaya çalışıyor.Telefonu 6 saat şarj etmek ve 3 saat pil ömrü vermek için 600 ml idrar (yetişkinler için yaklaşık iki kez) gerekeceği tahmin ediliyor.
Pillerin geleceği bu mikroorganizmalar tarafından kullanılabilir mi?
İster bir virüs pili isterse de 100 yıldan fazla bir süredir geliştirilmiş bir biyoyakıt hücresi olsun, şimdiye kadar büyük ölçekte ticarileştirilmedi. Yetersiz dönüşüm verimliliği ve seri üretimdeki zorluğun yanı sıra maliyet sorunu da göz ardı edilemeyecek bir konudur. Bakterinin kendi maliyeti ve gerekli besin maddeleri çok düşük olmasına rağmen üretim sürecinde kullanılan biyokatalizör çok pahalıdır.
Ancak bilim adamları bu sorunları çözüyor ve biyoyakıt hücrelerinin hala geleneksel pilleri değiştirme olasılığı var. Özellikle küçük giyilebilir cihazlar ve kalp pili implante edilebilen elektronik cihazlar için bu teknoloji sayesinde güç sağlamak oldukça pratiktir ve ticari kullanıma daha yakındır.
Aifaner'in önceki bir makalede söylediği gibi, piller akıllı ürünler için hayal gücümüzü sınırlıyor.
Geleneksel lityum pillerin enerji yoğunluğu sınırlıdır ve son 20 yılda elektrikli araçların gelişimini sınırlayan ve tamamen elektrikli büyük yolcu uçaklarını bir fantezi haline getiren çok fazla ilerleme olmamıştır.Boeing 737 gibi büyük uçaklar pil gerektirir. Ağırlık, açıkça ticarileştirilemeyecek olan gövdeden bile daha ağır.
Elektrikli araçta tek pil paketi
Aynı zamanda, lityum piller için gerekli olan nadir metallerin üretimi kendi üretimiyle sınırlıdır, pillere olan insan talebi arttıkça maliyet de artar. İnsanlar derin deniz madenciliğine dalmaya çalışsalar da, çevre koruma sorunları hakkında birçok tartışmaya da yol açtı ve ticarileştirme beklentileri net değil.
Derin deniz madenciliği için özel madencilik makinesi. Resim: Savethehighseas
Virüs pilleri ve bakteri pilleri düşük maliyetli seri üretime ulaşabilirse, o zaman gerçekten tükenmez pil hammaddelerine sahip olacağız ve pil alanı yeni bir aşamaya girecek.
Bilim kurgu filmi "The Matrix" bir zamanlar tamamen biyolojik pillerle çalışan bir dünyayı tasvir etti, ancak filmde insanlar robotlara güç sağlamak için pil olarak kullanıldı.
Pillerin geleceği bu gezegenin organizmalarında olabilir.
