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.
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.
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.
Комментарии (25)
AntonSor
09.10.2016 21:22+2Электродом 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
APLe
09.10.2016 23:01+2Вообще 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)».
LadyN
09.10.2016 23:26Как 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.
i_Max2
10.10.2016 17:42+1Представляю картину — отец пришел с работы футбол посмотреть, а мелкий (сынуля) сьел батарейки в пульте от телевизора!
tormozedison
10.10.2016 22:25+1Кстати, 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.
Idot
11.10.2016 11:04+1Тут плюс такой батарейки вовсе не в съедобности, а в биоразлагаемости! Такую батарейку можно смело выбрасывать с чистой совестью, не беспокоясь о переработке и экологичности!
isden
11.10.2016 11:35Тему 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
RusikR2D2
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.
tormozedison
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.
APLe
Динамик, по-идее, можно сделать с двумя катушками, по аналогии с коллекторным двигателем вместо синхронного.
tormozedison
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?
APLe
А в чём проблема ферромагнетиков? Разве нельзя сделать феррит не спеканием, а склеиванием порошка чем-нибудь типа той же сахарозы?
tormozedison
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.
xxvy
Зачем стекло? Леденцы на палочке вполне прозрачные.
tormozedison
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?
LadyN
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.
tormozedison
ЖКИ теряют свойства при изгибе.
RusikR2D2
можно делать массивы крохотных динамиков и светоизлучателей, чтобы их можно было без вреда проглотить потом. Главное, чтобы на зубах не хрустело.
killik
Пиксели на биолюминисценции, звук создавать мышечными волокнами. Код воспроизведения записывать в нейросеть.
LadyN
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.
Fagot63
Последствия агрессивной политики рекламщиков, мы видим уже сейчас(adblok и т.п.). Что будет в будущем, не знаю. Но им придется измениться, иначе вымрут как класс.
RusikR2D2
придумают что-то еще… Рекламные сны, например. Спишь и видишь рекламу.
pewpew
Светоскоростные шорты, ага…
tormozedison
Сны плохи для рекламы, они забываются.
BelyaevAG
Действие прямиком на подсознание — лучше не придумать.