Eine Membran, die von der Lunge inspiriert wurde, um dem Wasser Energie zu entziehen | Wissenschaft 2020

Anonim

Das Atmen ist die natürlichste und spontanste Handlung der Welt - wir machen es ungefähr zwanzigtausend Mal am Tag, für insgesamt elftausend Liter Gas, die innerhalb von 24 Stunden ausgetauscht werden -, aber es ist ein äußerst komplexer Mechanismus und für einige Kategorien von Wissenschaftlern sogar einer Quelle der Inspiration.

Eine Gruppe von Chemieingenieuren der Stanford University untersuchte die Lunge von Säugetieren, um einen Mechanismus zu entwickeln, der effizient und wirtschaftlich Wasserstoff aus Wasser erzeugt und saubere Energietechnologien vorantreiben kann. Der in einem in Joule veröffentlichten wissenschaftlichen Artikel beschriebene ist ein Elektrokatalysator, dh ein Material, das die chemischen Reaktionen auf eine Elektrode erhöht, ohne dabei verbraucht zu werden. Es kann Wasser in Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle trennen und Sauerstoff wiederverwenden als Brennstoff für die Katalyse selbst.

Ehrgeiziges Ziel. Die Idee, einen Energievektor aus Wasser zu extrahieren, dh ein Element, das wie Wasserstoff Energie von einer Form in eine andere treibt (obwohl es sich nicht um eine direkte Energiequelle handelt, die in der Natur verfügbar ist), zirkuliert von einer anderen Jahre, aber das Problem war immer die mangelnde Effizienz. Die Energie, die zur Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser benötigt wird, ist größer als die dabei erzeugte Energiemenge. Die neue lungeninspirierte Methode trennt sie nicht nur im selben System, sondern verwendet Sauerstoff erneut, um den Mechanismus anzutreiben.

Biomimetik. Der Versuch besteht darin, den Gasaustauschmechanismus in zwei Richtungen zu imitieren, der in unserem Körper in den Lungenalveolen auftritt, den winzigen Lufteinschlüssen, die die Grundeinheiten unseres Atmungssystems bilden. Die Alveolen lassen den Sauerstoff, den wir einatmen, durch sie in die Blutbahn gelangen und bewirken, dass das bei der Zellatmung entstehende Kohlendioxid durch sie strömt und dann ausgeatmet wird.

Die spezielle Membran der Alveolen, die Sauerstoffmoleküle auf der einen Seite (innen) abstößt und auf der anderen Seite (außen) anzieht, sorgt dafür, dass der Gasaustausch effizient und ohne Bildung von Sauerstoff stattfindet gefährliche "Blasen", die in die Blutbahn gelangen können.

Die ersten Ergebnisse. Die Wissenschaftler von Stanford haben eine ultradünne Polyethylenmembran in ihr System eingebaut, die von der Struktur der Lungenalveolen inspiriert ist, und es einerseits geschafft, Wasserstoff effizient aus dem Wasser zu extrahieren (mit einem Prozess, der das Ausatmen nachahmt), andererseits den gewonnenen Sauerstoff wiederzuverwenden, um die Energiekosten der Reaktion aufrechtzuerhalten (mit einem Mechanismus, der durch den Verbrauch von Sauerstoff Energie erzeugt und die Inspiration nachahmt).

Obwohl sich der Mechanismus noch in einem frühen Stadium befindet und noch lange nicht kommerzialisiert wurde, besteht die Hoffnung, dass er eines Tages Brennstoffzellen, die typischerweise Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff beziehen, oder Metall-Luft-Batterien, die Energie erzeugen, ermöglichen wird emissionsfrei durch Oxidation eines Metalls mit Luftsauerstoff.