Действительно зеленое электричество
В погоне за альтернативными источниками энергии ученые не обошли стороной и царство растений. Разумеется, речь идет о гораздо более продвинутых технологиях, чем «классическое» извлечение электроэнергии из картофелины или апельсина с помощью воткнутых в них электродов. Целая область науки ищет, чем бы заполнить новую страницу в истории взаимоотношений человека и зеленых легких планеты. Подробнее об этом, а также о развиваемом в России проекте «Green Spark», который уже дает энергию из биофотогальванических ячеек, можно будет узнать 19 мая на фестивале «Политех».
Как зарядиться от картошки
По интернету давно бродят фото- и видеоизображения горящих лампочек, присоединенных к картофелине (апельсину, лимону, яблоку). Также в сети полно инструкций, как в домашних условиях изготовить картошкобатарейку. Достаточно взять картофелину, медный и оцинкованный электроды (гвозди, например), соединительные провода и светодиодную лампочку для демонстрации электрического эффекта. В один бок корнеплода (или фрукта) втыкаем цинковый электрод, затем соединяем его с лампочкой, другой полюс лампочки соединяем с медным электродом, который втыкаем в ту же картофелину, но с другого бока.
Все эти действия рациональны и химически объяснимы: кислая среда внутри растительного источника создает необходимое количество свободных протонов (H+). В такой среде при взаимодействии с активным (хорошо отдающим электроны) металлом выделяются свободные носители отрицательного элементарного заряда, готовые бежать по цепи и заставлять лампочку светиться. В свою очередь, поток протонов от анода к катоду, как положено в батарейках, создает электродвижущую силу и замыкает цепь. Катод делается из менее активного металла (цинк против меди). А в качестве активной среды подойдет даже лист или стебель — любая, даже слабокислотная, часть растения.
Важный вопрос: насколько такие аккумуляторы эффективны? (И не полезнее ли будет их употреблять в классическом виде — в пищу?) Для ответа на него есть много экспериментальных демонстраций, которые позволяют рассчитать: чтобы зарядить смартфон, понадобится около 50 килограммов картофеля. Безусловно, конкретные характеристики растительного аккумулятора зависят от многих факторов — кислотности источника энергии (так, лимон явно кислее картофеля), свежести образца и даже кислотности почвы, в которой он вырос. Прибавим сюда качество гвоздей, сплавов, которыми эти гвозди покрыты и так далее. Но, как ни подбирай ингредиенты, явным недостатком вегетарианской подзарядки будет ее невысокая эффективность при большой отходности. Что картофелина, что лимон работать будут недолго, их придется часто менять, и пока зарядится смартфон, не один мешок опустеет.
Так что этот способ — скорее забавная шутка или фантазия для постапокалиптического сценария, чем надежда для удаленных и лишенных промышленных электростанций уголков Земли.
Зеленый лист — солнечная батарея мечты
Солнечная батарея — один из самых популярных экологичных энергетических девайсов. В ее основе лежит красивая идея — взять солнечную энергию, которая и так греет планету, и извлечь из нее электроэнергию без всяких побочных эффектов. Однако у этих устройств, несмотря на то, что они изобретены уже давно и с тех пор постоянно совершенствуются, есть ряд существенных недостатков. Главные из них — низкая эффективность (лишь некоторые коммерческие образцы обладают КПД на уровне 20 процентов) и ограниченная функциональность (работают, только пока светит солнце).
Растения — те же солнечные батареи, просто естественные. В процессе фотосинтеза молекулы пигментов, находящиеся в мембранах тилакоидов, поглощают энергию солнечного света и преобразуют ее в энергию химических соединений.
Физически при поглощении кванта света определенной частоты электрон в молекуле пигмента переходит из основного состояния в возбужденное, то есть на более высокий энергетический уровень. «Разрядка» возбужденного состояния молекулы хлорофилла может происходить в виде выделения тепла или в флуоресценции, кроме того энергия возбужденного состояния может передаваться соседней молекуле пигмента или расходоваться на фотохимические процессы.
Более 90 процентов хлорофилла хлоропластов входит в состав светособирающих комплексов — своеобразных антенн, переносящих энергию возбуждения к реакционным центрам первой и второй фотосистемы для последующего первичного разделения зарядов. В этих же фотосистемах сперва происходят окислительно-восстановительные превращения хлорофилла, а затем — фиксация энергии света в химическую энергию. Окисленные молекулы хлорофилла восстанавливаются, отбирая электроны у воды, далее в ходе нескольких химических реакций образуются кислород и свободные электроны и протоны (H). Кислород удаляется во внешнюю среду, а протоны приводя к тому, что мембрана тилакоида с одной стороны заряжается положительно за счет H+, с другой стороны — отрицательно за счет электронов. Далее процесс продолжается и завершается уже в без участия солнечного света синтезом органики из фиксированного из атмосферы углекислого газа.
Инженеры с завистью смотрят на зеленые листья и думают, как бы им подключиться к этому мембранному конденсатору. Ведь фотосистемы растительных пигментов используют солнечную энергию с очень большой эффективностью (если считать в поглощенных фотонах на вырабатываемый электрон). Некоторые даже утверждают, что нашли путь к хакингу фотосинтеза и уводу электронов прямо из-под носа у реакционных центров.
Биотехнический симбиоз
К счастью, растения помогают добыть электричество и другими способами, которые гораздо проще поддаются перепрофилированию в сторону удовлетворения потребностей цивилизации. В последние годы популярным направлением развития «зеленых» гальванических элементов стали так называемые топливные ячейки «бактерия + растение» (plant-microbial fuel cells, PMFCs). В отличие от батареек на картошке, такой тип растительных источников энергии, теоретически, является самообновляемым: все, что ему нужно для функционирования и генерации, — это солнечный свет, углекислый газ, вода и подходящие растения.
Прообразом подобной концепции был некоторый гальванический контейнер, в котором под воздействием бактерий в осадочном грунте (например, в иле на дне водоемов) расщеплялась содержащаяся в нем органика (Microbial fuel cells, MFCs). Такой осадочный реактор в комплекте с электродами играет роль анода, катод при этом погружен в воду. Как и в стандартной «батарейке», положительные ионы движутся от анода к катоду, замыкая цепь.
Биофотогальваника
Вышеописанную систему удалось усовершенствовать, пересадив в илистый реактор водные растения, — именно этот апгрейд позволяет инженерам надеяться на самовоспроизводимость источника питания. Растения, поглощая солнечную энергию и углекислый газ, в процессе фотосинтеза генерируют органические вещества, часть из которых попадает в почву. Симбиотические бактерии, живущие вблизи корней, расщепляют эту органику, выделяя электроны в качестве побочного продукта. Эти электроны могут быть захвачены анодом.
Эффективность биофотогальванических систем зависит от многих факторов. Это и количество выделяемой в почву органики, и доступность этой органики для микроорганизмов, и эффективность «сбора» электронов фотогальванической системой. Первые два фактора практически недоступны для улучшения — в лучшем случае человек может подобрать растения, выделяющие органику с более длинными углеродными цепями или с более «удобной» для микроорганизмов корневой системой. Поэтому наиболее перспективный пункт — повышение эффективности захвата электронов.
Но и тут инженеров и дизайнеров ожидает много сложностей. Например, более «легкая», с точки зрения расщепления бактериями, органика (глюкоза, аминокислоты), с одной стороны, могла бы привести к повышению эффективности выделения электронов. Однако это улучшение реализуется только в модельных системах, в реальной жизни в контейнере быстро заводятся бактерии, перерабатывающие простую органику без всякого выделения электронов. А ведь ученые хотели бы использовать в качестве фотогальванических ячеек не только лабораторные сосуды, но и реальные системы с подходящими свойствами — например, неиспользуемые рисовые поля (paddies).
Или, например, переход от MFCs к PMFCs дал надежду на самовоспроизводимость системы, но привел к нежелательному эффекту: растения, помимо постоянной подачи органики, еще и обогащают осадочный грунт кислородом, который успешно конкурирует с анодом в сборе электронов. Таких неожиданных препятствий, снижающих показатели эффективности ячеек, придется преодолеть еще много, и пока разработки находятся на начальном уровне, невозможно предположить, станет ли подобная технология экономически рентабельной.
«Зеленая искра»
В России биологические фотогальванические ячейки разрабатываются в рамках проекта «Green Spark». Координаторами проекта в «Шухов Лаб» (Лаборатории прототипирования городов будущего) являются Елена и Иван Митрофановы, совместно с Паоло Бомбелли из Кембриджского университета.
Сейчас они работают над конструкцией со стенами высотой два с половиной метра, состоящей из десятков подвешенных в керамических модулях ячеек-батарей, наполненных симбиотической системой растений и бактерий. В зависимости от конфигурации, ячейки могут давать напряжение от 0,2 до 0,6 вольта. Средняя эффективность растительно-микробного симбиоза составляет примерно 3–5 микровольт с квадратного метра. Итоговая сила тока, естественно, зависит от конфигурации соединения блоков.
Конструкция блоков специально разработана так, чтобы воссоздать естественный микроклимат для используемых растений. Роль анода в ячейках играет углеволокно, которое не окисляется, не вредит биосистеме и служит долго. Однако и эта конструкция требует оптимизации, так как ее текущая эффективность сбора электронов составляет примерно один процент.
«Проект и область исследования достаточно новые, то есть совсем немного людей ведут научные разработки в этом направлении. Наверняка через пять-десять лет мы сможем собирать если не все электричество [вырабатываемое в ячейках], то явно гораздо больший процент», — говорит Елена Митрофанова, архитектор-дизайнер и координатор проекта «Green Spark».
Инсталляцию, представляющую собой последовательные и параллельные электрические цепи блоков для подзарядки экрана, который транслирует сообщения и визуализирует поступающее напряжение, можно будет подробно изучить 19 мая на фестивале «Политех».
«Вода в ячейках необходима для электронной проводимости и служит солевым мостиком, поэтому мы выбираем влаголюбивые растения — это единственный критерий их отбора. В нашем проекте электроны — остаточный продукт расщепления органики, собирая их, мы никак не вредим экосистеме», — говорит Елена.
Помимо наших соотечественников и их коллег из Кембриджа, подобный проект развивает голландская компания Plant-e, но уже на промышленном, а не научном уровне.
Электричество из растений
Дизайнер из Швейцарии Фабьен Фелдер вместе с сотрудниками Кембриджского университета Россом Денисом и Паоло Бомбелли успешно провели ряд серьезных экспериментов, продемонстрировавших, что при определенных условиях растения вполне могут играть роль солнечных батарей и вырабатывать электричество. Эта команда исследователей разработала так называемый «фото-микробиологический топливный элемент» и утверждает, что в качестве источника электричества можно использовать практически любое растение, в котором происходит процесс фотосинтеза.
Растения вырабатывают электричество
Международной группе ученых удалось создать не имеющий в мире аналогов радиоприемник, работающий на электроэнергии, вырабатываемой мхом. Исследователи назвали этот «генератор» «Фото- МТЭ », причем мох они использовали в его конструкции совершенно не случайно: дело в том, что это растение реализует процесс фотосинтеза наиболее эффективно и наилучшим образом подходит для того, чтобы с его помощью производить электричество.
Показатели энергии, вырабатываемой растениями
Мох располагается на поверхности специального композита, который удерживает воду и состоит из биологической материи и токопроводящего материала. Остальные «детали» устройства «Фото- МТЭ » не столь необычны: это анод, на котором скапливаются генерируемые в процессе фотосинтеза электроны, и катод, куда они «перебегают» в том случае, когда цепь замкнута. Что касается КПД такого генератора, то эта величина пока совсем невелика. Его разработчики считают, что на аноде пока удается собрать только около 0,1% всех электронов, образующихся в процессе фотосинтеза.
Детали устройства Фото-МТЭ
Впрочем, столь низкая производительность нисколько не обескураживает ученых. Фабьен Фелдер напоминает скептикам, что в свое время технология изготовления традиционных солнечных батарей тоже была весьма несовершенна, а сейчас они используются все более и более широко и массово. Исследователь утверждает, биологические солнечные батареи должны пройти через такие стадии развития, как поиск и определение самых оптимальных материалов и растений, разработка их «технического обслуживания» и системы полива. Только после того, как все эти задачи будут решены, можно рассчитывать на то, что эти батареи будут вырабатывать электричество стабильно и достаточно много.
Разработчики также считают, что предметом отдельного исследования должен стать выбор самых подходящих растений. Очевидно, что мох — далеко не лучший вариант, поскольку, наряду со своими очень неплохими фотосинтетическими характеристиками имеет один существенный недостаток, который заключается в том, что он плохо переносит воздействие прямых солнечных лучей. Что касается других растений, то они также имеют как свои достоинства, так и недостатки, причем они могут по-разному проявляться при различных внешних воздействиях. По всей вероятности, в итоге для продолжения экспериментов будет отобрано не одно, а сразу несколько различных растений. Если говорить о возможных кандидатах, то можно упомянуть, к примеру, рис, поля которого чрезвычайно обширны и хорошо подходят для использования в качестве базы для биологических солнечных батарей, поскольку еще и изобилуют необходимой для них водой.
От электроэнергии, выработанной «Фото- МТЭ » радиоприемник проработал чуть менее полутора минут, причем генератор выработал намного больше энергии, чем необходимо для функционирования ЖК-экрана. Интересно, что для изготовления этого устройства использованы, так сказать, только «подручные материалы», и оно позволяет питать не только радиоприемник, но и различные другие небольшие электрические приборы.
Относительно этой технологии у специалистов в области электроэнергетики возникает немало вопросов, причем большинство из них касается возможности и целесообразности ее применения. Разработчики «фото-микробиологического топливного элемента», однако, посчитали, что даже если с их помощью всего лишь 25% жителей Лондона будут подзаряжать свои мобильные телефоны, то предотвратится выброс в атмосферу 40 000 углекислого газа, который получился бы при выработке этой энергии тепловыми электростанциями.
Альтернативные источники энергии. Овощи и фрукты
Победитель конкурса
Внеурочная деятельность (конкурсные работы)
Линия УМК А.В. Перышкина. Физика (7-9)
Внеурочная деятельность
Поделитесь в соц.сетях
Внимание! Администрация сайта rosuchebnik.ru не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.
- Участник: Сытенко Мария Александровна
- Руководитель: Жеребцова Анна Ивановна
Цель данной работы — исследование электрических свойств овощей и фруктов.
I. Введение
Моя работа посвящена необычным источникам энергии. В окружающем нас мире очень важную роль играют химические источники тока. Они используются в мобильных телефонах и космических кораблях, в крылатых ракетах и ноутбуках, в автомобилях, фонариках и обыкновенных игрушках. Мы каждый день сталкиваемся с батарейками, аккумуляторами, топливными элементами.
Слово «энергия» прочно вошло в обиходный словарь начала XXI в. человечество в последнее время сталкивается с дефицитом энергоресурсов. Грядущее истощение запасов нефти и газа побуждает ученых искать новые возобновляемые источники энергии
Возобновляемые источники сырья и способы получения из них энергии – магистральная тема многих университетских исследований. Лаборатория в Нидерландах изучает возможность получения электричества из растений, точнее, из корневой системы растений и из бактерий, находящихся в почве. 1
Энергия солнца, энергия ветра, энергия приливов и отливов возобновляемым источникам энергии в последнее время всё чаще причисляют и растения. Ведь только зеленое растение является той единственной в мире лабораторией, которая усваивает солнечную энергию и сохраняет ее в виде потенциальной химической энергии органических соединений, образующихся в процессе фотосинтеза.
Один из альтернативных источников энергии – процесс фотосинтеза. Процесс фотосинтеза, протекающий в клетке растения, является одним из главных процессов. В ходе него происходит не только разделение молекул воды на кислород и водород, но и сам водород в какой-то момент оказывается разделенным на составные части — отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ядра. Так что, если в этот момент ученым удастся «растащить» положительно и отрицательно заряженные частицы в разные стороны, то, по идее, можно получить замечательный живой генератор, топливом для которого служили бы вода и солнечный свет, а кроме энергии, он бы еще производил и чистый кислород. Возможно, в будущем такой генератор и будет создан. Но для осуществления этой мечты нужно отобрать наиболее подходящие растения, а может быть, даже научиться изготавливать хлорофилловые зерна искусственно, создать какие-то мембраны, которые бы позволили разделять заряды.
Данные исследований лаборатории молекулярной биологии и биофизической химии МФТУ по созданию таких мембран показали, что живая клетка, запасая электрическую энергию в митохондриях, использует ее для произведения очень многих работ: строительства новых молекул, затягивания внутрь клетки питательных веществ, регулирования собственной температуры.. С помощью электричества производит многие операции и само растение: дышит, движется (как это делают листочки всем известной мимозы-недотроги), растет.
Цель моей работы – исследование электрических свойств овощей и фруктов.
Задачи:
- Экспериментально измерить и проанализировать силу тока и напряжение таких батарей.
- Провести исследования с гальванических элементов, изменяя ширину пластин, глубину их погружений, и расстояний между электродами.
- Испытайте разные комбинации последовательно соединённых продуктов и проанализируйте полученные результаты.
- Собрать цепь, состоящую из нескольких таких батареек и постараться зажечь лампочку, запустить часы.
- Изготовить прибор гальванометр для определения напряжения.
- Исследовать электропроводность овощей и фруктов, разных сроков хранения, используя свой прибор.
Объект исследования: фрукты и овощи.
Предмет исследования: свойства овощных и фруктовых источников тока.
Гипотеза: Так как фрукты и овощи состоят из различных минеральных веществ (электролитов), то они могут стать природными источниками тока.
Методы исследования: изучение и анализ литературы, проведение эксперимента, анализ полученных данных.
II. Основная часть
2.1 История создания батарейки
Первый химический источник электрического тока был изобретен случайно, в конце 17 века итальянским ученым ЛуиджиГальвани. На самом деле целью изысканий Гальвани был совсем не поиск новых источников энергии, а исследование реакции подопытных животных на разные внешние воздействия. В частности, явление возникновения и протекания тока было обнаружено при присоединении полосок из двух разных металлов к мышце лягушачьей лапки.
Теоретическое объяснение наблюдаемому процессу Гальвани дал неверное 2 истолкование. Опыты Гальвани стали основой исследований другого итальянского ученого — Алессандро Вольта. Он сформулировал главную идею изобретения. Причиной возникновения электрического тока является химическая реакция, в которой принимают участие пластинки металлов. Для подтверждения своей теории Вольта создал нехитрое устройство. Оно состояло из цинковой и медной пластин погруженных в емкость с соляным раствором. В результате цинковая пластина (катод) начинала растворяться, а на медной стали (аноде) появлялись пузырьки газа. Вольта предположил и доказал, что по проволоке протекает электрический ток. Несколько позже ученый собрал целую батарею из последовательно соединенных элементов, благодаря чему удалось существенно увеличить выходное напряжение. Именно это устройство стало первым в мире элементом питания и прародителем современных батарей. А батарейки в честь Луиджи Гальвани называют теперь гальваническими элементами 3 .
2.2 Создание фруктовой батарейки
а) с использованием одного элемента
Для создания фруктовой батареи мы попробовали взять лимоны, яблоки, огурцы свежие и соленые, помидоры, картофель сырой и вареный. Положительным полюсом определили несколько блестящих медных пластин. Для создания отрицательного полюса решили использовать оцинкованные пластины. Конечно же, понадобились провода, с зажимами на концах. Ножом сделала в фруктах небольшие надрезы, куда вставила пластины (электроды). После соединения всех частей воедино у меня получилась фруктовая или овощная батарейка (рис. 1).
Название
Напряжение, В
Сила тока, А
Уже реальность. Огороды в черте города будут вырабатывать электричество
Как мы поступаем, если во время прогулки у нас внезапно разрядился телефон? Начинаем искать ближайшее кафе, в котором может оказаться свободная розетка. Но, возможно, совсем скоро все изменится, и, обнаружив опустевший индикатор заряда, мы бросимся к ближайшей яблоне или клумбе с базиликом. Звучит это пока странно, но, например, на улицах Барселоны скоро появятся съедобные растения, способные генерировать электроэнергию.
В 2020 г. испанский фонд BIT Habit Barcelona Foundation запустил конкурс городских инноваций Ciutat Proactiva: молодым инженерам предложили придумать способы, которыми Барселону можно сделать высокотехнологичным и экологичным городом. Проектов было представлено немало, но авторитетная комиссия выбрала семь победителей, которые затем получилили гранты. Одним из них стал проект «Co-mida: городская зелень для производства энергии и продуктов питания». Его авторы – сотрудники Института передовой архитектуры Каталонии (IAAC). Как ясно из названия проекта, на городских улицах будут высаживать растения, которые станут электрогенераторами. Как же это работает?
Многие из нас знают, что электричество можно добывать из картофеля или, например, лимонов. Забавный школьный опыт выглядит так: в картофелину втыкают пару гвоздей (медный и оцинкованный), к ним присоединяют провода, и такая система способна немного отклонить стрелку вольтметра. Ток получается крохотный, но его можно увеличить, соединив последовательно несколько картофелин. Правда, мощность все равно будет небольшой: чтобы зарядить, допустим, смартфон, потребуется целый мешок картошки. Разумеется, такой способ не подходит для практической реализации.
Но есть и другой метод, он основан на явлении биофотогальваники. В последние годы получили распространение так называемые «зеленые гальванические элементы» или топливные ячейки «бактерия + растение». В отличие от картофельных батареек, это самообновляемый тип растительных источников энергии: все, что ему нужно для работы, – это почва, солнечный свет, углекислый газ и вода.
Растения, поглощая солнечный свет и углекислый газ, в процессе фотосинтеза производят органические вещества, часть из которых попадает в почву. Особые бактерии, живущие вокруг корней, расщепляют эту органику, попутно выделяя электроны. Эти заряженные частицы могут быть захвачены анодом, а как мы помним из школьного курса, электрический ток – это и есть движение электронов. Осталось лишь направить это движение к потребителю.
Стартап CO-mida планирует выстроить на улицах Барселоны вертикальные сады, «зеленые электростены». С помощью специального 3D-принтера печатают керамические цветочные горшки-ячейки особой формы: их можно крепить на вертикальные поверхности, заполняя любую площадь, вплоть до нескольких сотен квадратных метров.
Такая стена представляет собой единую систему, управляемую общим контроллером. Каждая ячейка способна постоянно генерировать небольшое напряжение – примерно 0,2 вольта. Разумеется, чем больше ячеек, тем лучше. Собранная энергия направляется в городскую сеть, а кроме того, любой желающий может подключиться к ней и зарядить гаджет.
CO-mida решает сразу три задачи: озеленяет город, вырабатывает электричество и производит пищевые продукты, поскольку в ячейки высаживают съедобные растения. Разумеется, яблоню на стену не посадишь, но, например, огурцы – запросто.
Прямо сейчас разработчики заняты постройкой пилотных вертикальных садов в двух районах Барселоны. Так что вполне вероятно, что через некоторое время любой прохожий сможет ненадолго присесть в тени зеленой стены и подпитать севший смартфон, похрустывая свежим огурчиком.