Bioogniwa paliwowe mogą zostać zastosowane dla potrzeb wojska, bezpieczeństwa wewnetrznego lub monitoringu środowiska, gdzie bezprzewodowe urządzenia nadawcze byłyby zasilane przez energię z fizjologicznych metabolitów produkowanych przez małe zwierzęta. Przykładem jest praca naukowców z Clarkson University w USA. Enzymatyczne bioogniwo wszczepione dwóm żyjącym homarom było w stanie wygenerować otwarty obwód o napięciu do 1,2 V. Dzięki takiej „żyjącej baterii” elektroniczny zegarek.
Drugim pomysłem na zastosowanie bioogniw paliwowych jest użycie ich jako baterii w urządzeniach biomedycznych takich jak rozruszniki serca. Substrat do odpowiedniej reakcji energetycznej znajduje się we krwi pacjenta, może nim być np. glukoza. Miliony pacjentów ze wszczepionymi rozrusznikami przechodzą bolesne operacje w celu wymiany baterii. Wszczepione bioogniwa spełniają rolę baterii tak długo jak porządany substrat jest dostepny, czyli dopóki pacjent żyje. Dzięki biologicznym bateriom zmniejsza się ryzyko dla pacjenta i znikają koszty związane z operacją. Jednakże takie rozwiązanie nadal uważane jest za dość egzotyczne i wymagające. Dotąd nie zostało udokumentowanych wiele przykładów enzymatycznych bioogniw działających in vivo w zwierzętach.
Amerykańscy naukowcy podjęli próbę pozyskania energii elektrycznej łącząc ze sobą szeregowo pięć bioogniw i umieszczając je w płynącym roztworze ludzkiej surowicy. W celu skopiowania prawdziwych warunków zachodzących w ludzkim ciele stworzyli roztwory surowicy o różnym stężeniu glukozy odpowiadające stężeniom u zdrowej głodnej osoby, normalnej zdrowej osoby i osoby z cukrzycą. Szybkośc przepływu roztworów została dopasowana tak, by odpowiadała szybkości przepływu krwi u człowieka odpoczywającego lub aktywnego. Eksperyment udowodnił, że tak przystosowane bioogniwo paliwowe jest w stanie zasilić rozrusznik serca generując napięcie 3 V.
Głownym problemem w użyciu bioogniw paliwowych jest niskie napięcie przez nie produkowane. Napięcie jest termodynamicznie limitowane potencjałami redoks biologicznych paliw (np. glukozy) i tlenu. W wiekszości publikacji jest mowa o napięciu około 0,5 V produkowanym przez ogniwa. Najwyższe osiągnięte napięcie to 0,78 V w niefizjologicznym środowisku, co nadal jest zbyt niskie, jako że większośc urządzeń potrzebuje napięcia o wartości kliku voltów. W dostępnej literaturze opisano dwa sposoby na poradzenie sobie z tym problemem. Jednym z pomysłów jest ustawienie bioogniw szeregowo, co pozwoliłoby na zwiększenie całkowitego napięcia wyjściowego. Demonstruje to eksperyment naukowców z Clarkson University. Druga sugestia proponuje kolekcjonowanie energii elektrycznej w kondensatorach lub w pompach ładujących i uwalnianie jej w krótkich impulsach. Innym problemem w użyciu tego pomysłowego rozwiązania jest stabilność bioogniw w długim okresie czasu. Może upłynąć jeszcze sporo czasu zanim działanie bioogniw zostanie dopracowane i zuniwersalizowane, a pierwszy pacjent zostanie poddany wszczepieniu rozrusznika serca napędzanego działaniem „ żyjącej baterii”.
Natalia Pankiewicz
Źródło:
Kevin MacVittie, Jan Halámek, Lenka Halámková, Mark Southcott, William D. Jemison, Robert Lobel, Evgeny Katz From “Cyborg” Lobsters to a Pacemaker Powered by Implantable Biofuel Cells Energy Environ. Sci., 2012
KOMENTARZE