روش گرفتن برق از میوه

این موضوع نه‌فقط به عنوان یک مفهوم جالب جلوه می‌کند، بلکه با درنظرگیری مقادیر فراوان و رو به افزایش پسماندهای غذایی مانند میوه، با متدهای تازه می‌توانیم به استفاده بهینه از این مشکل جهان مدرن بپردازیم. در واقع تنها در ایالات متحده، در هر روز حدود ۱۵۰ تن میوه و سبیزجات به هدر می‌رود.

چنین اتفاقی نه‌تنها شدیدا اسرافی است، بلکه ظرفیت‌های فراوان برای آسیب زدن به محیط‌زیست هم دارد.‌ای کاش می‌شد از این مواد غذایی به هدر رفته برای کاری دیگر استفاده کرد. مثلا انرژی پایدار. آیا می‌توان از میوه‌ها به عنوان باتری استفاده کرد؟

پاسخ مثبت است

یک راه برای به‌دست آوردن الکتریسیه از میوه، ساخت باتری‌های ساده با استفاده از الکترودها و تمام بدنه یک میوه است. اسیدهای درون میوه، به خصوص سیتریک اسید، می‌توانند به کار گرفته شوند و با مقداری کار علمی، میوه تبدیل به نوعی باتری بدوی می‌شود.

درست مانند آنچه در باتری‌های رایج می‌یابید، اسید با الکترودها تعامل می‌کند تا مقادیر اندکی از جریان را تولید کند و آن جریان را می‌توان به دام انداخت و برای انرژی‌رسانی به دستگاه‌های الکترونیکی کوچک استفاده کرد. یک پروژه علمی سرگرم‌کننده خانگی می‌تواند این باشد که به آزمون و خطا با میوه‌ها (یا سبزیجات) خانگی بپردازید و ببینید کدام یک تبدیل به بهترین باتری ممکن می‌شود.

با استفاده از موادی ساده، مانند دو نوع فلز مختلف (بهترین عملکرد را روی و مس دارند) برای ساخت الکترودها، این آزمایش به شکلی نسبتا ساده انجام می‌شود و می‌تواند فعالیتی موثر برای اشتراک‌گذاری با فرزندان باشد. یا الکترودهای فلز را درون آب‌میوه معلق می‌کنید یا آنها را درون یک میوه دست‌نخورده قرار می‌دهید و در هر دو صورت، مقادیر کمی ولتاژ به‌دست می‌آید.

چه محشر، اما این اتفاق چطور می‌افتد؟

درست مانند باتری‌های معمولی، الکترودها نقش قطب منفی و قطب مثبت را ایفا می‌کنند و اجازه تولید جریان الکتریکی کوچکی را می‌دهند. سیتریک اسید موجود در میوه نقش نوعی الکترولیت را ایفا می‌کند که با قطب‌های فلزی تعامل دارد و به تولید یون می‌پردازد.

این بدان خاطر است که مواد ارگانیک می‌توانند نقش هادی یونی را نیز ایفا کنند. این ماده‌ها به یون‌ها اجازه می‌دهند که آزادانه درون‌شان جابه‌جا شوند.

الکترود روی (قطب منفی) هم ضمنا با سیتریک اسید واکنش می‌دهد و کاتیون‌ها و الکترون‌های آزاد به‌دست می‌آیند. این الکترون‌ها سپس به آرامی شروع به شکل‌گیری روی قطب منفی روی می‌کنند و زمانی که یک سیم متصل شود، درون سیم به جریان می‌افتند.

با سیم‌هایی که به قطب مثبت مس متصل شده‌اند تا مدار تکمیل شود، الکترون‌ها شروع به واکنش دادن با کاتیون‌های هیدروژن موجود در میوه می‌کنند و در نهایت منجر به شکل‌گیری گاز هیدروژن می‌شوند. این فرآیند تا زمانی که الکترولیت‌ها حاضر باشند و الکترودها دست‌نخورده باقی بمانند (یعنی تا زمانی که میوه خشک شود یا الکترودها فرو بپاشند) ادامه می‌یابد.

آب میوه هم می‌تواند هادی الکتریسیته باشد و به شکلی موثر، مدار را تکمیل می‌کند. کارکرد این روش به همان شکلی است که محلول نمک هم از طریق آن هادی الکتریسیته می‌شود. مگر اینکه محصولاتی از پیش آماده برای ترتیب دادن چنین آزمایش‌هایی داشته باشید، می‌توانید از سکه‌ای با روکش مس و میخ‌های گالوانیزه استفاده کنید. میخ‌های گالوانیزه معمولا از آهن و پوششی از روی ساخته می‌شوند. با این پیش‌نیازها، قادر به ایجاد مقادیر اندکی از جریان (حدودا یک دوم الی سه چهارم ولت) در تنها یک میوه خواهید بود. سبزیجاتی نظیر سیب‌ زمینی می‌توانند جریانی اندک بیشتر و گاه بالاتر از ۱ ولت تولید کنند.

آنقدرها زیاد نیست، اما می‌توانید چندین میوه را به صورت موازی به یکدیگر متصل کنید تا ولتاژ بالاتر برود. حتی شاید بتوانید به چنان جریان قدرتمندی دست پیدا کنید که چیزی مانند موبایل هوشمندتان را شارژ کنید. هرچه به میوه‌های بیشتری نیاز داشته باشید، استفاده از یک شارژر معمولی تبدیل به اتفاقی آسان‌تر و بهینه‌تر می‌شود.

بالاترین ولتاژ به‌دست آمده از باتری‌های میوه‌ای، ۱۵۱۲ ولت بوده که توسط دبیرستانی در دانمارک در روز ۲۹ ژانویه سال ۲۰۲۰ انجام شد. با این همه، برای دستیابی به این رقم نیاز به ۱۹۶۴ لیمو بود.

بسته به جنس و تعداد میوه‌ها، ولتاژ ممکن است برای قوت‌رسانی به یک LED کوچک یا حتی یک موتور کوچک کافی باشد. مشخص شده که بهترین میوه‌ها و سبزیجات برای چنین کاری، آن‌هایی هستند که یون‌های شدیدا هادی مانند پتاسیم و سدیم دارند.

از طرف دیگر اگر به ساختار داخلی «صحیح» برای ساخت جریان‌ها دسترسی داشته باشیم، شرایط بهتر می‌شود. میوه‌های همگن‌تر یا سبزیجاتی نظیر سیب‌ زمینی‌ها و خیارشور انتخاب‌هایی معرکه به حساب می‌آیند. میوه‌هایی مانند پرتقال در واقع انتخابی نه‌چندان مناسب به حساب می‌آیند، زیرا ساختار داخلی‌شان به محفظه‌های متعدد تقسیم شده و غشاهایی وجود دارد که نقش مانع را ایفا می‌کنند. این غشا می‌تواند جریان آزاد را مسدود کند.

در رویکردی متفاوت با باتری‌های میوه‌ای ساده‌ای که بالاتر توصیف کردیم، پژوهشگران به دنبال تولید الکتریسیته از میوه‌ها به شکلی پیچیده‌تر هستند. یک مثال «سلول سوخت میکروبی - Microbial Fuel Cell» است که می‌تواند برای تبدیل میوه‌ها و سبزیجات به الکتریسیته قابل مصرف استفاده شود.

این سلول‌ها اساسا دیوایس‌های زیست‌-الکتروشیمیایی هستند که می‌توانند با گستره وسیعی از میکروارگانیسم‌ها، الکتریسیته تولید کنند. تیمی از پژوهشگران اکوادور با این فناوری به آزمون و خطا پرداختند و از سلول‌های تک محفظه‌ای سوخت میکروبی بدون غشا برای بیش از ۶۰ روز استفاده کردند. این پژوهش بسیار ثمربخش بود و توانست ولتاژ خروجی ۳۳۰ مگاولت را امکان‌پذیر کند.

یک راه متفاوت

تولید الکتریسیته از میوه‌های تازه یک راه برای تولید الکتریسیته است، اما راهی دیگر هم وجود دارد. همینطور که میوه تجزیه می‌شود، گاز متان به‌دست می‌آید که با سوزاندن آن می‌تواند به تولید برق در ابعاد بسیار وسیع‌تر پرداخت. این دقیقا همان چیزیست که مقامات سویل در اسپانیا پیشنهادش کرده‌اند تا قادر به زدن یک تیر و دو نشان باشند. خیابان‌های این شهر پر شده‌اند از درختان پرتقال سویل. مزارع این منطقه تقریبا تمام پرتقال‌های سویلی که پرورش می‌دهند را به بریتانیا صادر می‌کنند که در آن‌جا تبدیل به مارمالاد می‌شوند. اما ساکنان خود سویل علاقه چندانی به میوه‌های تلخ ندارند و بنابراین تمام خیابان‌های شهر پر می‌شود از پرتقال‌هایی که دارند می‌گندند.

این پرتقال‌های به زمین افتاده نه‌تنها برای رهگذران خطرناک به حساب می‌آیند، بلکه از نظر پاکیزگی شهری نیز سردردی بزرگ برای مقامات شهرداری هستند. پرتقال‌ها معمولا زیر پا یا چرخ اتومبیل‌ها لبه می‌شوند، در نتیجه سطح خیابان‌ها نارنجی رنگ و چسبناک است و مگس‌ها نیز هجوم می‌آورند.

درحال‌حاضر، ۲۰۰ نفر به استخدام شهرداری سویل درآمده‌اند که به صورت خاص به جمع‌آوری این میوه‌ها می‌پردازند. در ماه فوریه ۲۰۲۱، شورای شهر سویل از برنامه تازه‌ای برای استفاده بهینه از میوه‌های هدر رفته پرده برداشت و دیگر صرفا آنها را به اماکن دفن زباله انتقال نمی‌دهد.

میوه‌ها جمع‌آوری و به یک کمپانی آب شهری به نام Emasesa منتقل می‌شوند که به کمک آنها به تولید انرژی پاک می‌پردازد تا یکی از چندین تاسیسات تصفیه آب خود را راه بیندازد. آب میوه استخراج می‌شود و در ترکیب با دیگر مواد ارگانیک، برای تولید بیوگاز مورد استفاده قرار می‌گیرد. از سوی دیگر، پوست میوه‌ها هم تبدیل به کود برای مزارع می‌شود. آب میوه، فروکتوزی متشکل از زنجیره‌های کربنی بسیار کوتاه است و عملکرد انرژیک این زنجیره‌های کربنی در فرآیند تخمیر بسیار بالا است. بنابراین موضوع فقط راجع به کم کردن هزینه‌ها نخواهد بود. پرتقال‌ها تبدیل به مشکلی بزرگ برای شهر شده‌اند و با این کار می‌توان به تولید ارزش افزوده برای پسماند پرداخت.