أول نموذج أولي للبطارية باستخدام الهيموجلوبين.. تعمل من 20 إلى 30 يومًا
محفز حيوي واعد جدًا للأجهزة المدمجة في جسم الإنسان.. خصائص جيدة لتوليد الطاقة في بطاريات الزنك والهواء
توصل فريق من المعهد الكيميائي للطاقة والبيئة (IQUEMA) في جامعة قرطبة إلى بطارية تستخدم الهيموجلوبين كميسر للتفاعل الكهروكيميائي، وتعمل لمدة تتراوح بين 20 إلى 30 يومًا.
الهيموجلوبين، هو بروتين موجود في خلايا الدم الحمراء، وهو مسؤول عن نقل الأكسجين من الرئتين إلى أنسجة الجسم المختلفة (ومن ثم نقل ثاني أكسيد الكربون في الاتجاه المعاكس).
وهو ذو صلة عالية جدًا بالأكسجين، وهو ضروري للحياة، ولكن ماذا لو كان أيضًا عنصرًا أساسيًا لنوع من الأجهزة الكهروكيميائية التي يلعب فيها الأكسجين أيضًا دورًا مهمًا، مثل بطاريات الزنك والهواء؟
هذا ما أراد فريق الكيمياء الفيزيائية والكيمياء غير العضوية في جامعة قرطبة (UCO) التحقق منه وتطويره، بالتعاون مع فريق من جامعة البوليتكنيك في قرطاجنة، بعد دراسة قام بها أثبتت جامعة أكسفورد ومشروع الدرجة النهائية في جامعة كولومبيا البريطانية، أن الهيموجلوبين يتميز بخصائص واعدة لعملية الاختزال والأكسدة (الأكسدة والاختزال) التي يتم من خلالها توليد الطاقة في هذا النوع من النظام.
تحويل الطاقة الكيميائية إلى كهربائية
وهكذا، قام فريق البحث، من خلال مشروع إثبات المفهوم، بتطوير أول بطارية متوافقة حيوياً (غير ضارة بالجسم) تستخدم الهيموجلوبين في التفاعل الكهروكيميائي الذي يحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية.
وباستخدام بطاريات الزنك والهواء، وهي واحدة من أكثر البدائل استدامة لتلك التي تهيمن حاليا على السوق (بطاريات أيون الليثيوم)، فإن الهيموجلوبين سيكون بمثابة عامل محفز في مثل هذه البطاريات.
أي أنه سيتم استخدامه كبروتين مسؤول عن تسهيل التفاعل الكهروكيميائي الذي يسمى تفاعل اختزال الأكسجين (ORR)، مما يؤدي بعد دخول الهواء إلى البطارية إلى تقليل الأكسجين وتحويله إلى ماء في أحد أجزاء البطارية.
البطارية (الكاثود أو القطب الموجب)، حيث يتم إطلاق الإلكترونات التي تنتقل إلى الجزء الآخر من البطارية (الأنود أو القطب السالب)، حيث تحدث أكسدة الزنك.
الأداء القوي
وكما يوضح مانويل كانو لونا، الباحث في جامعة كاليفورنيا، “لكي يكون المحفز محفزًا جيدًا في تفاعل اختزال الأكسجين، يجب أن يتمتع المحفز بخاصيتين: يحتاج إلى امتصاص جزيئات الأكسجين بسرعة وتكوين جزيئات الماء بسهولة نسبية.
ويلبي الهيموجلوبين هذه المتطلبات”، ومن خلال هذه العملية، حصل الفريق على النموذج الأولي للبطارية المتوافقة حيويًا للعمل مع 0.165 ملليجرام من الهيموجلوبين لمدة تتراوح بين 20 و30 يومًا.
بالإضافة إلى الأداء القوي، يتميز النموذج الأولي للبطارية الذي طوروه بمزايا أخرى، بادئ ذي بدء، تعد بطاريات الزنك والهواء أكثر استدامة ويمكنها تحمل الظروف الجوية المعاكسة، على عكس البطاريات الأخرى التي تتأثر بالرطوبة وتتطلب جوًا خاملًا لتصنيعها.
ثانيًا، كما يقول كانو لونا، “إن استخدام الهيموجلوبين كمحفز حيوي هو أمر واعد جدًا فيما يتعلق باستخدام هذا النوع من البطاريات في الأجهزة المدمجة في جسم الإنسان،” مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب.
البروتينات ذات الأصل الحيواني
ويضيف، أن البطارية تعمل عند درجة حموضة 7.4، وهي درجة حموضة مشابهة لدرجة حموضة الدم، بالإضافة إلى ذلك، بما أن الهيموجلوبين موجود في جميع الثدييات تقريبًا، فيمكن أيضًا استخدام البروتينات ذات الأصل الحيواني.
ومع ذلك، فإن البطارية التي طوروها لديها مجال للتحسين، السبب الرئيسي هو أنها بطارية أساسية تقوم فقط بتفريغ الطاقة الكهربائية، كما أنها غير قابلة لإعادة الشحن، ولذلك، يتخذ الفريق بالفعل الخطوات التالية للعثور على بروتين بيولوجي آخر يمكنه تحويل الماء إلى أكسجين، وبالتالي إعادة شحن البطارية، بالإضافة إلى ذلك، لن تعمل البطاريات إلا في وجود الأكسجين، لذلك لا يمكن استخدامها في الفضاء.
بدائل وظيفية جديدة للبطاريات
تفتح الدراسة، التي نشرت في مجلة الطاقة والوقود، الباب أمام بدائل وظيفية جديدة للبطاريات في سياق يتوقع فيه المزيد والمزيد من الأجهزة المحمولة، وحيث يوجد التزام متزايد بالطاقات المتجددة، بحيث يكون من الضروري أن يكون لديك أجهزة تقوم بتخزين الطاقة الكهربائية الزائدة على شكل طاقة كيميائية .
والأهم من ذلك، أن بطاريات الليثيوم أيون الأكثر شيوعًا اليوم مثقلة بندرة الليثيوم وتأثيرها البيئي كنفايات خطرة.
