نظرًا لتزايد حاجة العالم إلى كميات كبيرة من الطاقة المحمولة بوتيرة متزايدة باستمرار ، سعى العديد من المبتكرين إلى استبدال تقنية البطاريات الحالية بشيء أفضل.
استفاد الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا من المبادئ الكهروكيميائية الأساسية عندما اخترع أول بطارية في عام 1800. بشكل أساسي ، يولد الالتحام الفيزيائي لمادتين مختلفتين ، عادة المعادن ، تفاعلًا كيميائيًا ينتج عنه تدفق الإلكترونات من مادة إلى أخرى. يمثل هذا التيار من الإلكترونات طاقة محمولة يمكن تسخيرها لتوليد الطاقة.
كانت المواد الأولى التي استخدمها الناس لصنع البطاريات هي النحاس والزنك. تعمل أفضل البطاريات اليوم – تلك التي تنتج أعلى ناتج كهربائي في أصغر حجم ممكن – على إقران الليثيوم المعدني بواحد من عدة مركبات معدنية مختلفة. كانت هناك تحسينات ثابتة على مر القرون ، لكن البطاريات الحديثة تعتمد على نفس استراتيجية فولتا: إقران المواد التي يمكن أن تولد تفاعلًا كهروكيميائيًا وتنتزع الإلكترونات التي يتم إنتاجها.
ولكن كما أصف في كتابي “الشرارة: حياة الكهرباء وكهرباء الحياة” ، حتى قبل أن تبدأ البطاريات التي يصنعها الإنسان في توليد التيار الكهربائي ، فإن الأسماك الكهربائية ، مثل أسماك طوربيد المياه المالحة (طوربيد طوربيد) في البحر الأبيض المتوسط وخاصة الأنواع المختلفة عرفت أنواع ثعبان الماء العذب الكهربية فى أمريكا الجنوبية (رتبة الجيمنورميس) بأنها تنتج مخرجات كهربائية بنسب مذهلة. في الواقع ، ألهمت الأسماك الكهربائية فولتا لإجراء البحث الأصلي الذي أدى في النهاية إلى تصنيع بطاريته ، ولا يزال علماء البطاريات اليوم يبحثون عن هذه الحيوانات التي تعمل بالكهرباء بحثًا عن أفكار.
نسخ العضو الكهربائي لثعبان البحر
قبل استخدام بطارية فولتا ، كانت الطريقة الوحيدة أمام الناس لتوليد الكهرباء هي فرك المواد المختلفة معًا ، عادةً على الزجاج بالحرير ، والتقاط الكهرباء الساكنة الناتجة. لم تكن هذه طريقة سهلة ولا عملية لتوليد طاقة كهربائية مفيدة.
عرف فولتا أن للأسماك الكهربائية عضو داخلي مخصص بشكل خاص لتوليد الكهرباء. لقد اعتقد أنه إذا كان بإمكانه تقليد أعماله ، فقد يكون قادرًا على إيجاد طريقة جديدة لتوليد الكهرباء.
يتكون العضو الكهربائي للسمكة من أكوام طويلة من الخلايا تشبه إلى حد كبير لفافة من العملات المعدنية. لذلك قطع فولتا الأقراص التي تشبه العملات المعدنية من صفائح من مواد مختلفة وبدأ في تكديسها ، في تسلسلات مختلفة ، ليرى ما إذا كان بإمكانه العثور على أي مجموعة من شأنها أن تنتج الكهرباء. استمرت تجارب التراص هذه في تحقيق نتائج سلبية حتى حاول إقران الأقراص النحاسية بأقراص الزنك ، مع فصل الأزواج المكدسة بأقراص ورقية مبللة بالمياه المالحة.
أنتج هذا التسلسل من الورق النحاسي والزنك الكهرباء بالصدفة ، وكان الناتج الكهربائي متناسبًا مع ارتفاع المكدس. اعتقد فولتا أنه كشف النقاب عن سر كيفية توليد الثعابين للكهرباء وأنه أنتج بالفعل نسخة اصطناعية من العضو الكهربائي للأسماك ، لذلك أطلق على اكتشافه في البداية اسم “العضو الكهربائي الاصطناعي”. لكنه لم يكن.
ما الذي يجعل ثعابين السمك حقا مكهربة
يعرف العلماء الآن أن التفاعلات الكهروكيميائية بين المواد المتباينة التي اكتشفها فولتا لا علاقة لها بالطريقة التي يولد بها ثعبان السمك الكهرباء. بدلاً من ذلك ، يستخدم ثعبان البحر نهجًا مشابهًا للطريقة التي تولد بها خلايانا العصبية إشاراتها الكهربائية ، ولكن على نطاق أوسع بكثير.
تضخ الخلايا المتخصصة داخل العضو الكهربائي لثعبان السمك أيونات عبر حاجز غشاء شبه نافذ لإنتاج فرق شحنة كهربائية بين داخل الغشاء وخارجه. عندما تفتح البوابات المجهرية في الغشاء ، فإن التدفق السريع للأيونات من جانب واحد من الغشاء إلى الجانب الآخر يولد تيارًا كهربائيًا. إن ثعبان السمك قادر على فتح جميع بواباته الغشائية في نفس الوقت حسب الرغبة لتوليد هزة كهربائية ضخمة ، والتي تطلق العنان بطريقة مستهدفة على فريستها.
لا تصدم الثعابين الكهربائية فرائسها حتى الموت ؛ لقد صعقوه بالكهرباء قبل الهجوم. يمكن لثعبان السمك أن يولد مئات الفولتات من الكهرباء (المنافذ المنزلية الأمريكية 110 فولت) ، لكن جهد ثعبان البحر لا يدفع تيارًا كافيًا (التيار الكهربائي) ، لفترة طويلة بما يكفي ليقتل. تدوم كل نبضة كهربائية من ثعبان البحر بضعة أجزاء من الألف من الثانية وتنتج أقل من 1 أمبير. هذا يمثل 5٪ فقط من التيار المنزلي.
هذا مشابه لكيفية عمل الأسوار الكهربائية ، حيث توفر نبضات قصيرة جدًا من الكهرباء ذات الجهد العالي ، ولكن بتيار منخفض جدًا. وبالتالي فهي تصدم الدببة أو غيرها من الحيوانات المتسللة التي تحاول اختراقها ولكنها لا تقتلها. إنه مشابه أيضًا لسلاح الصعق الكهربائي الحديث ، والذي يعمل عن طريق إيصال نبضة عالية الفولتية بسرعة (حوالي 50000 فولت) تحمل تيارًا منخفضًا جدًا (بضعة مللي أمبير فقط).
المحاولات الحديثة لتقليد ثعبان البحر
مثل فولتا ، يجد بعض علماء الكهرباء الحديثين الذين يبحثون عن تحويل تكنولوجيا البطاريات مصدر إلهامهم في ثعابين السمك الكهربائية.
يعمل فريق من العلماء من الولايات المتحدة وسويسرا حاليًا على نوع جديد من البطاريات مستوحى من الثعابين. إنهم يتصورون أن بطاريتهم الناعمة والمرنة قد تكون مفيدة في يوم من الأيام لتزويد الغرسات الطبية والروبوتات اللينة بالطاقة داخليًا. لكن الفريق يعترف بأن أمامه طريق طويل لنقطعه. “الأعضاء الكهربائية في ثعبان السمك متطورة بشكل لا يصدق ؛ إنهم أفضل بكثير في توليد الطاقة منا ، “قال مايكل ماير ، عضو فريق من جامعة فريبورغ. لذلك ، يستمر البحث عن ثعبان البحر.
في عام 2019 ، مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء للعلماء الثلاثة الذين طوروا بطارية ليثيوم أيون. عند منح الجائزة ، أكدت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم أن عمل الحائزين على الجوائز “أرسى الأساس لمجتمع لاسلكي خالٍ من الوقود الأحفوري”.
الجزء “اللاسلكي” صحيح بالتأكيد ، لأن بطاريات الليثيوم أيون تشغل الآن جميع الأجهزة اللاسلكية المحمولة تقريبًا. سيتعين علينا الانتظار ورؤية ادعاء “مجتمع خالٍ من الوقود الأحفوري” ، لأن بطاريات الليثيوم أيون اليوم يعاد شحنها بالكهرباء التي يتم توليدها غالبًا عن طريق حرق الوقود الأحفوري. ولم يرد ذكر لمساهمات ثعابين السمك الكهربائية.
[يعتمد أكثر من 150000 قارئ على الرسائل الإخبارية للمحادثة لفهم العالم. سجل اليوم.]
في وقت لاحق من نفس العام ، أعلن علماء من معهد سميثسونيان اكتشافهم نوعًا جديدًا من ثعبان السمك الكهربائي في أمريكا الجنوبية. هذا هو على وجه الخصوص أقوى مولد للكهرباء الحيوية معروف على وجه الأرض. سجل الباحثون التفريغ الكهربائي لثعبان واحد عند 860 فولت ، وهو أعلى بكثير من التفريغ الكهربائي لأنواع ثعبان البحر السابقة الحاملة للأرقام القياسية ، Electrophorus electricus ، التي سجلت بجهد 650 فولت ، وأعلى بمقدار 200 ضعف من الجهد العلوي لأيون ليثيوم واحد. بطارية (4.2 فولت).
مثلما نحاول نحن البشر أن نهنئ أنفسنا على عظمة أحدث مصدر للطاقة المحمولة لدينا ، فإن الثعابين الكهربائية تواصل تواضعنا بمصادرها.