השתן עלה לדג לראש

זיו כהני

הביטוי הסלנגי שבכותרת הוא אולי אחד האזכורים היחידים של דג ושתן יחד באותו משפט. אבל האם ידעתם שמבחינה טכנולוגית שילוב זה הוא דווקא ביטוי להמצאה מעניינת?

הצורך במוצרים אלקטרונים ניידים-לבישים, הדורשים אספקת אנרגיה נמוכה, הולך ועולה, אך אופן הטעינה שלהם הוא בגדר אתגר. כדי למצוא פתרון לאתגר זה, חוקרים מהמרכז לביו-אנרגיה ומהמרכז לרובוטיקה בבריסטול, אנגליה, חשבו על מקור אנרגיה חדשני – שתן. ידוע כי פסולת אנושית דוגמת השתן יכולה להוות מקור לאנרגיה כימית, שבאפשרותה להטעין תאי דלק מיקרוביולוגיים (MFC - Microbial Fuel Cell). כיצד? השתן מזין את החיידק בMFC-  (בתא דלק מיקרוביולוגי טיפוסי יש שני תאים: תא אנודה, המכיל חיידקים, ותא קתודה, שאליו מוזרם אוויר. בין שני התאים מפרידה ממברנה סלקטיבית, המאפשרת מעבר של פרוטונים מתא האנודה לתא הקתודה. החיידקים מבצעים תהליך של חמצון תרכובות אורגניות; ונוצרים אלקטרונים המועברים מהאנודה לקתודה. בקתודה חל חיזור החמצן. תהליכים אלו מובילים ליצירת זרם חשמלי(. תאי ה-MF יעילים מאוד, גמישים וקלי משקל, ולכן הם מתאימים לאפליקציות הניידות/לבישות.

כדי להעלות את ביצועי המערכת ולהעלות את זמן שרידות התאים יש לספק לתאים המיקרוביולוגיים הזנה רציפה של שתן בזרם קבוע. לצורך כך נדרשה לחוקרים משאבה.

המשאבה פותחה בהשראת מערכת מחזור הלב והדם של הדג. בדגים, מערכת מחזור הלב והדם היא מערכת סגורה, פשוטה מאוד וידועה כפעילה במחזור בודד. הלב כמשאבה דוחף את הדם לזימים לצורך חמצון מחדש. משם זורם הדם לשאר הגוף וחוזר חזרה ללב. הלב של הדג מורכב מעלייה אחת לקבלת הדם ומחדר אחד בעל קירות עבים, המכיל מספר גדול של שרירים שאחראים על ייצור הלחץ (על ידי התכווצות והתרחבות) כדי לדחוף את הדם לגוף. בנוסף, קיים שסתום שתפקידו לדאוג לזרימת הדם בכיוון אחד.

המערכת הַלבישה, שעוצבה ארגונומית לכף רגל של בן אדם, פותחה בהשראת מבנה לב הדג. שרירי הלב הוחלפו בצינורות סיליקון גמישים שכללו שני שסתומים פנימיים, שמוקמו מתחת למיקום העקבים. בזמן הליכה, העקבים חיקו את המכניזם של החדר שמייצר תהליך של דחיפה-הרפיה בתדירות קבועה, הנדרשת לשם הזרמת הדם. גם תא הלב יוּצר מסיליקון, זאת לאור גמישות החומר ועל מנת לחקות את פעולת הלב.

               תמונות באדיבות UWE Bristol – Bristol BioEnergy Centrer

 

את תהליך הלחץ וההרפיה של פעולת הלב יצר צינור המשאבה, שהזרים שתן מתאי הMF- ואליהם.
תאי הMF- הולבשו כגרביים וקיבלו אספקה של שתן באמצעות המשאבה. כל שתי יחידות של MFC חוברו לצינור סיליקון. כל שישה זוגות שלMFC  שהולבשו על כל רגל חווטו במקביל וחוברו למשאבה אחת, וכן היוו מקור חשמל לאלקטרוניקה.
החיקוי הנ"ל יצר מערכת אנרגטית מלאה שהצליחה להפיק ארבעה וולט, אשר כולה מופקת על ידי האדם. הספק זה מאפשר, למעשה, שימוש במתח שהופק להטענה של אביזר לביש.

למידע נוסף