واندرز فارسی | جهان عجایب

باتری ها به عنوان یک اختراع بزرگ در نظر گرفته می شوند که امروزه در دستگاه های تکنولوژیکی بی شماری از جمله گوشی های هوشمند استفاده می شود. اما تعداد کمی از مردم می دانند که اگر الهام گرفته شده از این حیوان ترسناک نبود، هیچ گوشی هوشمندی با باتری کافی برای کار در تمام طول روز وجود نداشت. باتری ولتا با افزایش سرسام آور تقاضای جهان برای برق قابل حمل، بسیاری از مخترعان به دنبال جایگزینی فناوری فعلی باتری با چیزی بهتر هستند. فیزیکدان ایتالیایی الساندرو ولتا هنگام اختراع اولین باتری در سال 1800 از اصول اولیه الکتروشیمیایی استفاده کرد. به زبان ساده، ترکیب فیزیکی دو ماده مختلف، معمولاً فلز، یک واکنش شیمیایی ایجاد می کند که منجر به جریان الکترون از یک ماده به ماده دیگر می شود. این جریان الکترون نشان دهنده انرژی متحرکی است که می تواند برای تولید الکتریسیته مهار شود.

اولین مواد مورد استفاده برای تولید باتری مس و روی بود. بهترین باتری های امروزی که بالاترین خروجی الکتریکی را در کوچکترین اندازه ممکن تولید می کنند لیتیوم را با یکی از ترکیبات مختلف فلزی ترکیب می کنند. در طول قرن‌ها پیشرفت‌های ثابتی وجود داشته است، اما باتری‌های مدرن هنوز بر اساس همان اصل ولتا هستند: کنار هم قرار دادن موادی که می‌توانند واکنش الکتروشیمیایی ایجاد کنند و الکترون‌های تولید شده را از بین ببرند. اما قبل از اینکه باتری‌های مصنوعی شروع به تولید برق کنند، ماهی‌های الکتریکی، مانند پرتوهای الکتریکی دریای مدیترانه و به‌ویژه مارماهی‌های الکتریکی آب شیرین آمریکای جنوبی، به دلیل توانایی‌شان در تولید نیرو شناخته شده بودند. در واقع، ماهی‌های الکتریکی الهام‌بخش ولتا شدند تا تحقیقات اولیه‌ای را انجام دهد که در نهایت منجر به ایجاد باتری‌ها شد، و دانشمندان باتری‌های امروزی هنوز برای یافتن ایده به این حیوانات مولد الکتریسیته تکیه می‌کنند.

با الهام از مارماهی های الکتریکی

قبل از ظهور باتری ولتا، تنها راه انسان برای تولید الکتریسیته مالیدن مواد مختلف به هم، معمولا ابریشم بر روی شیشه، و جمع آوری الکتریسیته ساکن بود. این یک راه آسان یا عملی برای تولید انرژی الکتریکی مفید نیست. ولتا می‌دانست که ماهی‌های برقی دارای اندام داخلی تخصصی برای تولید برق هستند. او استدلال کرد که تقلید از این اصل عملیاتی می تواند راه جدیدی برای تولید برق پیدا کند. اندام‌های الکتریکی ماهی متشکل از پشته‌های طولانی سلولی است که شباهت زیادی به یک رول سکه دارند. بنابراین ولتا دیسک های سکه مانند را از ورق های جداگانه جدا کرد و شروع به چیدن آنها به ترتیب مختلف کرد تا ببیند کدام ترکیب می تواند الکتریسیته تولید کند.

این آزمایش‌های انباشتگی تنها نتایج ناموفقی به همراه داشت تا اینکه او سعی کرد دیسک‌های مسی را با دیسک‌های روی جفت کند، در حالی که جفت‌های روی هم را با دیسک‌های کاغذی خیس شده با آب نمک جدا کرد. این زنجیره کاغذ مس و روی به طور تصادفی برق تولید می کند و خروجی برق متناسب با ارتفاع پشته کاغذ است. ولتا فکر می‌کرد که راز چگونگی تولید الکتریسیته مارماهی‌ها را کشف کرده است و نسخه‌ای از الکتریسیته تولید شده مصنوعی آن‌ها را ایجاد کرده است، بنابراین او در ابتدا کشف خود را «ارگان‌های الکتریکی مصنوعی» نامید. با این حال، ماهیت آن ذاتا اشتباه است.

واقعا چه چیزی مارماهی ها را الکتریکی می کند؟

امروزه دانشمندان می‌دانند که واکنش‌های الکتروشیمیایی بین مواد مختلف که ولتا کشف کرد هیچ ارتباطی با نحوه تولید الکتریسیته توسط مارماهی‌های الکتریکی ندارد. در عوض، مارماهی از رویکردی مشابه نحوه تولید سیگنال های الکتریکی توسط نورون های ما استفاده می کند، اما در مقیاس بسیار بزرگتر. سلول‌های تخصصی در اندام‌های الکتریکی مارماهی یون‌ها را در سراسر سد غشایی نیمه‌تراوا پمپ می‌کنند تا اختلاف بار بین داخل و خارج غشا ایجاد کنند. هنگامی که دروازه های میکروسکوپی در غشاء باز می شوند، جریان سریع یون ها از یک طرف غشا به سمت دیگر جریان الکتریکی ایجاد می کند. مارماهی می تواند به طور همزمان تمام درگاه های غشایی خود را به میل خود باز کند تا جریان الکتریکی عظیمی ایجاد کند که به صورت هدفمند بر روی طعمه خود آزاد می شود.

مارماهی های الکتریکی شکار خود را تا حد مرگ شوک نمی دهند. آنها فقط هدف را قبل از حمله با برق بیهوش می کنند. یک مارماهی می تواند صدها ولت الکتریسیته تولید کند، اما ولتاژ آن به اندازه کافی جریان را برای مدت طولانی وارد نمی کند تا طعمه خود را بکشد. هر پالس الکتریکی از مارماهی تنها چند میلی ثانیه طول می کشد و کمتر از 1 آمپر یا 5 درصد جریان یک خانواده را تامین می کند. این شبیه به نحوه عملکرد حصار الکتریکی است که پالس های الکتریکی با ولتاژ بالا بسیار کوتاه اما با آمپراژ بسیار کم ارائه می دهد. بنابراین، آنها به اندازه کافی تکان دهنده هستند، اما خرس یا سایر حیوانات مزاحم را که می خواهند از آن بالا بروند، نمی کشند. این شبیه به سلاح های الکتروشوک مدرن است که با ارسال پالس های ولتاژ بسیار بالا (حدود 50000 ولت) با جریان بسیار کم (فقط چند میلی آمپر) عمل می کند.

تصویری از ولتا با آزمایشاتش

سعی کنید از مارماهی ها تقلید کنید

مانند ولتا، برخی از دانشمندان برق مدرن به دنبال تغییر فناوری باتری با الهام از مارماهی های الکتریکی هستند. گروهی از دانشمندان از ایالات متحده و سوئیس در حال حاضر در حال تحقیق بر روی نوع جدیدی از باتری با الهام از مارماهی هستند. آنها تصور می کنند که این باتری نرم و انعطاف پذیر روزی می تواند برای تامین نیروی داخلی ایمپلنت های پزشکی و روبات های نرم مفید باشد. اما این گروه اعتراف می کند که راه زیادی در پیش است. مایکل مایر، یکی از اعضای تیم از دانشگاه فریبورگ، اظهار تاسف می کند: اندام های الکتریکی مارماهی ها بسیار پیچیده هستند؛ آنها بسیار بهتر از ما انرژی تولید می کنند. بنابراین تحقیقات مارماهی ادامه دارد. در سال 2019، جایزه نوبل شیمی به سه دانشمند که باتری‌های لیتیوم یونی را تولید کردند، اعطا شد. هنگام اعطای جایزه، آکادمی سلطنتی علوم سوئد تأیید کرد که کار برندگان جایزه پایه های یک جامعه بی سیم و بدون سوخت فسیلی را بنا نهاده است.

بخش بی سیم درست است، زیرا باتری های لیتیوم یونی اکنون تقریباً تمام دستگاه های بی سیم قابل حمل را تغذیه می کنند و تلفن های هوشمند یکی از آنها هستند. در اواخر همان سال، دانشمندان مؤسسه اسمیتسونین کشف گونه جدیدی از مارماهی الکتریکی را در آمریکای جنوبی اعلام کردند. به ویژه این قوی ترین ژنراتور بیولوژیکی شناخته شده روی زمین است. محققان میزان تخلیه الکتریکی یک مارماهی را در 860 ولت ثبت کردند که بسیار بیشتر از 650 ولت مارماهی رکورددار قبلی بود. همانطور که انسان ها به ایجاد جدیدترین منبع انرژی قابل حمل افتخار می کنند، مارماهی های الکتریکی با منابع انرژی فراوان خود همچنان از ما پیشی می گیرند.