Prima pagină Stiinta

Omul electric

Cecilia Stroe 11.09.2007 | ● Vizualizări: 432
Omul electric     biocombustibil, enzime, baterii, tehnologie + zoom
Galerie foto (1)

Noile utopii se nasc in laboratoarele de cercetare, unde oamenii de stiinta depun eforturi intense pentru a exploata energia dinauntrul fiintei umane – si nu e vorba de vreo forta vitala mistica, ci de o parte din energia chimica zavorata in rezervele de hrana ale organismului. Scopul? Convertirea ei in electricitate.

Este una dintre acele zile. Implanturile de retina iti spun ca e seara, desi esti sigur ca Soarele straluceste pe cer. Aparatul care-ti masoara glicemia pare s-o fi luat razna, ai pulsul neregulat, basca avertizarea de stop cardiac pe care ti-au transmis-o senzorii implantati. Toate sunt alarme false, ca de obicei. O fi reusit oare medicul sa te progra­meze mai devreme pentru operatia chirurgicala de inlocuire a bateriilor, sau va trebui sa-ti astepti randul?

Acest scenariu nu este unul in totalitate SF, dar nu e nici realitate. Nu inca. La ora actuala, in lume, milioane de persoane cu afectiuni cardiace au deja implantate pacemakere ori defibrilatoare, alte zeci de mii de hipoacuzici folosesc implanturi cohleare pentru a-si recapata auzul; iar de idei pentru alte dispozitive implantabile nu ducem lipsa, de la stimulatoare introduse in creier cu scopul de a bloca senzatia de foame sau de a tine sub control boala lui Parkinson, la senzori capabili sa detecteze aparitia unui cancer sau iminenta unui stop cardiac. Toate bune si frumoase, dar ce te faci cand te lasa bateriile? Nu metaforic, ci la propriu, avand in vedere ca persoanele a caror activitate cardiaca este „reglementata“ de pacemakere trebuie sa intre perio­dic in sala de operatii pentru a-si inlocui bateriile (cele cu litiu dureaza circa 6 ani, micropacemaker-ul cu incarcare externa 3 luni, iar cel cu alimentare atomica, pe baza de plutoniu, 10-15 ani). Totusi, nu peste multa vreme, o „eleganta“ sursa de alimentare pentru implanturile medicale ar putea deveni glucoza, de care organismul se foloseste deja. Dispunem de o enorma cantitate de energie – mancarea pe care o inghitim zilnic furnizeaza o energie similara celei produse de o mie de baterii AA. N-ar avea de ce sa ne deranjeze faptul ca savantii ar deturna nitel din ea pentru a ne alimenta niste implanturi capabile sa ne sustina anumite functii vitale.

La ora actuala, oamenii de stiinta studiaza posibilitatea de a face dispozitivele medicale sa se comporte aidoma unor paraziti benigni, adica sa fure din aceasta energie doar cantitatea suficienta pentru a functiona fara ca tu, gazda, sa bagi de seama; ceva de ordinul a zeci de microwati, maximum cativa miliwati, ar fi in masura sa asigure necesarul de electricitate pentru multiple aplicatii si la fel s-ar putea intampla si cu excesul de energie calorica al corpurilor noastre sau cu energia cinetica a musculaturii. Numeroase astfel de sisteme capabile sa exploateze potentialul nostru „electric“ au ajuns deja in stadiul de prototip, multe altele se afla in studiu. Iar peste cativa ani, atunci cand dispozitivele medicale implantabile vor fi renuntat la baterii in totalitate, de ce nu, corpul nostru ne-ar putea face hatarul de a ne livra suficienta energie electrica si pentru gadgeturile noastre preferate, macar pentru telefonul mobil si playerul MP3.

O vodca pentru telefonul meu!
Ar putea fi o scena din urmatorul film cu James Bond. Asezat la bar, agentul 007 comanda un cocktail Martini si, inainte de a sorbi prima inghititura, varsa doua picaturi in bateria celularului sau, pentru a o reincarca. SF? Nici vorba, realitate a viitorului. In cativa ani, ar putea fi comercializate primele baterii asemanatoare celulelor cu combustibil, reincarcabile cu enzime si alcool, avand in vedere ca acest anunt a fost facut inca din anul 2003, in cadrul Congresului de la New Orleans al American Chemical Society. Potrivit cercetatoarei Shelley Minteer, de la Saint Louis University, aceste baterii reiau ideea celulelor cu biocombustibili care utilizeaza capacitatea enzimelor de a produce energie, in cazul de fata folosind drept carburant etanolul. Enzimele, molecule care declanseaza procesele chimice in fiintele vii, au nevoie de conditii extrem de stabile pentru a se activa. Ajunge o mica diferenta de temperatura sau o variatie de Ph pentru a le inactiva. Pentru a surmonta aceasta problema, Minteer si colegii sai au imbracat electrozii de care sunt prinse enzimele cu polimeri porosi in care moleculele si-au gasit microambientul ideal. N-a mai fost nevoie ulterior decat de putin oxigen si alcool – a explicat Minteer – pentru ca enzima sa beneficieze de toate conditiile necesare unei functionari corecte.

Rezultatul: o productie de energie electrica garantata chiar si pentru o luna intreaga. Anul acesta, tot echipa de cercetatori condusa de Shelley Minteer a dezvoltat o celula cu combustibil care utilizeaza drept izvor de energie orice sursa de zahar, de la bauturi la seva plantelor. Zaharul este un combustibil optim, considera oamenii de stiinta, oferind o autonomie de 3-4 ori superioara celei a bateriilor obisnuite cu ioni de litiu. Pe langa avantajul dat de durata, noile fuel cells au si calitatea de a fi biodegradabile, putand constitui o alternativa ecologica la cele pe baza de litiu. Zaharul, sub forma de gluco­za, furnizeaza energie tuturor organis­melor vii, dar numai de putina vreme au reusit oamenii de stiinta sa-l con­verteasca in electricitate. De-atunci au existat si alte tentative de creare a unei celule cu combustibil alimentate cu zahar, dar Minteer sustine ca versiunea pusa la punct de echipa sa este cea mai performanta. Demon­strativ, a fost prezentat un prototip minuscul al acestei baterii, de dimen­siunile unui timbru, care a reusit sa alimenteze un calculator portabil. Intr-un interval de 3-5 ani, bateria ar trebui sa fie finalizata si gata pentru comercializare.
 


FACTS


Puterea dinauntrul corpului uman
BIO-MEDNANO este un proiect comunitar de cercetare de 2,8 milioane de euro, lansat in 2006, care vizeaza dezvoltarea celulelor pe combustibil „biocatalitice“. Celulele in chestiune (care utilizeaza drept combustibil fluide corporale si enzime ce convertesc energia chimica in electricitate) vor avea dimensiuni atat de reduse, incat vor putea fi implantate sub piele, pentru alimentarea directa a unei intregi serii de dispozitive medicale: stimulatoare cardiace, pompe pentru insulina, proteze articulare, roboti pentru microchirurgie si sisteme biosenzoriale. In luna decembrie a anului trecut, Departamentul de Comert si Industrie din Marea Britanie a anuntat lansarea unui proiect de 1 milion de lire sterline, suma acordata unui consortiu infiintat in scopul dezvoltarii unui microgenerator incorporat, capabil sa transforme energia preluata din miscarea corpului in electricitate, pentru alimentarea device-urilor medicale implantabile. Mare parte dintre lucrarile de proiectare sunt asigurate de Perpetuum, o companie de pe langa Universitatea Southampton, care a construit deja un prototip de cinci ori mai mare decat dispozitivul proiectat si a inceput sa-l testeze in laborator. Oficialii companiei pastreaza deocamdata secretul asupra modului de functionare a microgeneratorului; se stie doar ca Perpetuum vizeaza doua sisteme: unul care exploateaza bataile inimii si altul alimentat de miscarea membrelor. Potrivit lui Martin McHugh, managerul Zarlink Semiconductor, compania care supervizeaza lucrarile de executie ale intregului proiect, obiectivul final este realizarea unui dispozitiv de marimea unui chistoc de tigara care sa genereze intre 100 si 150 de microwati, suficienti pentru a alimenta un pacemaker cardiac sau un biosenzor.


Cand vaca aprinde becul
Anul acesta, in Statele Unite a fost dezvoltata o tehnologie in masura sa genereze electricitate prin utilizarea bacteriilor prezente in fluidul din stomacul bovinelor. Cercetatorii de la Ohio State University au creat micute celule cu combustibil microbiologic capabile sa produca suficienta energie electrica pentru aprinderea unui bec. Aceste celule sunt de patru ori mai mici si de trei ori mai puternice decat cele create in urma cu cativa ani de acelasi grup de oameni de stiinta. Daca, in cazul primei versiuni, erau necesare patru celule pentru a produce electricitate suficienta incarcarii unei baterii de tip AA, acum ajung doua. In plus, in timp ce o baterie obisnuita este aruncata sau reincarcata dupa golire, aceasta celula nu are nevoie decat de un adaos constant de celuloza. Hamid Rismani-Yazdi, cercetator la Food, Agricultural and Biological Engineering din cadrul Ohio State University, a explicat ca energia este produsa de bacterii care descompun celuloza, una dintre cele mai abundente resurse de pe planeta, disponibila ca reziduu in agricultura si in industria lemnului si a hartiei.

Termocentrala corporala
Chiar si atunci cand nu faci nimic mai extenuant decat, de exemplu, sa citesti acest articol, corpul tot pierde o cantitate mare de energie calorica (cca 100 de wati), iar pierderea creste semnificativ atunci cand mai depui si ceva efort fizic. O parte din aceasta energie calorica, mai precis diferenta de temperatura dintre piele si mediu sau dintre diferite parti ale corpului mai calde si mai reci, poate fi folosita pentru a face electronii sa circule, generand electricitate. Acest efect termoelectric este cunoscut de aproape 200 de ani si la ora actuala este testat la interceptarea caldurii reziduale in fabrici si in alte centrale industriale. Insa nu tot ce functioneaza intr-o fabrica poate fi reprodus in organismul uman. Diferentele mici de temperatura de la nivelul corpului genereaza doar voltaje scazute, greu de intensificat pana la niveluri utile, iar randamentul termic este slab. O alta modalitate de a transforma miscarea in electricitate o reprezinta materialele piezoelectrice. Teoretic, simpla indoire a unui astfel de material genereaza voltaj, deci din acest punct de vedere operatia ar fi o optiune promitatoare in ceea ce priveste realizarea unui generator. In practica, insa, multi experti sunt pesimisti in ceea ce priveste sansele materialelor piezoelectrice de a alimenta dispozitive medicale, tinand cont de fragilitatea si randamentul energetic limitat ale acestora.

Adevarul despre enzime si microbi
Celulele cu combustibil sunt dispozitive care transforma energia chimica in energie electrica, pe cand cele cu biocombustibil utilizeaza catalizatori biologici. Tipologia celulelor cu biocombustibil este definita de tipul biocatalizatorului. Celulele cu combustibil microbian apeleaza la celule vii pentru a cataliza oxidarea combustibilului, pe cand celulele cu biocombustibil enzimatic folosesc in acest scop enzime. Avantajul celulelor cu biocombustibil microbian este durata lor lunga de viata (de pana la 5 ani) si faptul ca sunt capabile sa oxideze in mod complet zaharurile simple in dioxid de carbon. Ele sunt limitate insa de densitatile de putere scazuta. In schimb, cele enzimatice poseda densitati de putere mai ridicate, dar pot oxida doar partial combustibilul si au o durata de viata limitata (7-10 zile), pe care o datoreaza naturii fragile a enzimei. Atat durata de viata a celulelor cu biocombustibil microbian, cat si a celor cu biocombustibil enzimatic este influentata de durata de viata si de eficienta mediatorilor lor, compusi care transfera electronii din combustibilul oxidat pe suprafata electrodului; desi importanta le-a fost multa vreme subevaluata, durata de viata si performantele mediatorilor s-au dovedit la fel de problematice precum cele ale enzimelor.

Unul dintre cele mai mari progrese inregistrate in ultimul timp in acest domeniu il constituie dezvoltarea de biocatozi si bioanozi care utilizeaza electrotransferul direct in locul transferului mediat de electroni. Importanta electrotransferului direct sta in faptul ca electronii sunt transferati de la catalizator (enzima) direct la electrod, fiind astfel depasite problemele asociate folosirii de mediatori. Un alt pas inainte il constituie marirea duratei de viata a enzimelor imobilizate. Enzimele sunt proteine care traiesc intre 8 ore si 2 zile in solutie-tampon, dar durata lor de viata activa poate fi extinsa la 7-20 de zile prin imobilizarea lor pe suprafata electrodului. Procedeele prin care survine aceasta imobilizare sunt cele asa-numite de incapsulare (entrapment), legare chimica (chemical bonding) si legare incrucisata (cross-linking). Recent, viata activa a enzimelor a fost extinsa la peste un an prin incapsularea lor in polimeri cu structura micelara. Acesti polimeri priveaza de libertate enzima, impiedi­cand-o sa se denatureze prin aceea ca ii asigura un „cuib“ hidrofob biocompatibil.

Foto: Shutterstock
 

ASCULTĂ CE GÂNDEȘTI