منبع انرژی جدید برای ابزارهای کاشتنی داخل بدن: قند

 

احسان پاک نژاد 

http://www.narenji.ir/4714

در تصویر یک قرص سیلیکونی حاوی سلول هایی با اندازه های مختلف می بینید که در آنها گلوکز سوخته می شود. بزرگترین سلول ۶۴ در ۶۴ میلی متر است.

محققان دانشگاه ام آی تی (بله! باز هم MIT) یک سلول سوختی ساخته اند که از همان قندی استفاده می کند که سایر سلول های بدن استفاده می کنند: قند گلوکز. این سلول سوخت گلوکز، می تواند در ایمپلنت (ابزار کاشتنی) های مغزی، به عنوان منبع انرژی به کار رود. ایمپلنت (implant) های مغزی ابزارهایی برای کمک به بیماران ناتوان و حرکت دست ها و پاهای آنها هستند. تامین انرژی ایمپلنت ها یکی از مشکلات اصلی آنها است که فعلا توسط باتری های قابل تعویض تامین می شود، این سلول سوختی می تواند آینده آنها را تحت تاثیر قرار دهد.

آن گونه که در مجله PLoS ONE در ۱۲ ژوئن امسال (دو روز پیش) توصیف شده است. در وهله اول، این سلول های سوختی می توانند از مولکول های گلوکز جریان الکتریکی کوچکی تولید کنند. در مرحله دوم این محققان با مدیریت Rahul Sarpeshkar، پروفسور مهندسی الکتریکی و علوم کامپیوتر دانشگاه ام آی تی موفق شدند که این سلول های سوختی را روی یک چیپ سیلیکونی سوار کرده و مدارهای آن را با مدارهای ایمپلنت های مغزی یکپارچه کنند.

ایده استفاده از گلوکز برای تامین انرژی ابزارهای داخل بدن، ایده تازه ای نیست. در سال های ۱۹۷۰ دانشمندان توانستند که با استفاده از قند گلوکز، انرژی یک ضربان ساز را تامین کنند. اما این ایده با ورود باتری های انقلابی لیتیومی منسوخ شد. این باتری ها انرژی بسیار بیشتری را نسبت به واحدهای سوخت گلوکزی تامین می کردند. علاوه بر این واحدهای سوخت گلوکزی آن زمان از آنزیم هایی استفاده می کردند که بعدا ثابت شد ممکن است ناگهان از کار بیافتند و برای استفاده طولانی مدت مناسب نیستند.

سلول های جدید ام آی تی که در PLoS ONE توصیف شده اند، از جنس سیلیکون بوده و از همان تکنولوژی چیپ های الکترونیکی نیمه رسانا استفاده می کنند. در آنها هیچ گونه فعالیت بیولوژیکی رخ نمی دهد، بلکه واکنش های پلاتینوم الکترون را از گلوکز می گیرد. این روش از نظر ساختاری مشابه بدن اما از نظر روش اجرا کاملا متفاوت است. در بدن آنزیم های مختلف ابتدا گلوکز را می شکنند و در حین این کار ATP (واحد انرژی در بدن) تولید می شود. (سازگاری طویل المدت پلاتینوم با بدن انسان ثابت شده است.) بنابراین، این سلول های سوختی می توانند یه عنوان یک منبع دائمی، چند صد میکرووات برق تولید کنند که برای ایمپلنت های (نیازمند انرژی کم) مغزی کافی است.

Benjamin Rapoport، دانشجوی فارغ التحصیل آزمایشگاه Sarpeshkar و مدیر تحقیق جدید ام آی تی می گوید، اهمیت این کار در چند سال آینده مشخص می شود، زمانی که شما مردم مبتلا آسیب نخاعی را ببینید که با کار گذاشتن این امپلنت ها و رعایت یکسری نکات پزشکی خاص، راه بروند. ایمپلنت هایی که انرژی خود را از قند تامین کرده و نیازی به نگه داری دائمی ندارند.

آقای راپوپورت معتقد است که قند موجود در مایع مغزی نخاعی برای تامین انرژی کافی خواهد بود. مایع مغزی نخاعی، مایعی با حجم بسیار کم در اطراف مغز و نخاع است که آن ها را در برابر ضربه و تصادم به جمجمه و ستون مهره ها حفظ می کند. سلول های بسیار کمی در این مایع وجود دارند. بنابراین احتمال بسیار کمی وجود دارد که امپلنت های موجود در این مایع، واکنش ایمنی بدن را تحریک کنند. از طرف دیگر مقدار قند نسبتا زیادی در این مایع وجود دارد که بدن نیازی به آن ندارد (این قند به طور خود به خودی همراه با آب از جدار رگ ها نشت می کند). پس قرار گیری این ایمپلنت های کوچک مغزی نباید مشکلی برای هیچ چیز به وجود آورد.

Karim Oweiss، استادیار مهندسی الکتریکی، علوم کامپیوتر و نوروساینس در دانشگاه ایالت میشیگان می گوید، این کار یک حرکت خوب و رو به جلو در خلق بهتر ابزارهای پزشکی قابل کاشت در بدن است. آنها دیگر نیازی به منابع تامین برق خارجی ندارند.

آقای اویس می گوید، به نظر می رسد آنها انرژی مورد نیاز را تامین کرده اند. مرحله بعدی امتحان این ابزارها در حیوانات زنده است.

یک تیم از محققان دانشگاه برون، بیمارستان عمومی ماساچوست و چند انستیتو دیگر، به تازگی نشان دادند که بیماران فلج با استفاده از یک ایمپلنت مغزی و یک بازوی روباتیک قادر به انجام بعضی کارها می شوند. روش جدید تامین انرژی ایمپلنت های مغزی به این تکنولوژی کمک شایانی می کند.

تقلید واکنش های بیولوژیک توسط واکنش های میکروالکترونیکی

گروه سرپشکار (Sarpeshkar) یکی از پیشگامان صنعت ابزارهای الکترونیکی با مصرف انرژی بسیار کم (ultra-low-power electronics)، ساخت ایمپلنت هایی برای حلزون گوش (شنوایی) و مغز است. سرپشکار می گوید «زمانی که سلول سوخت گلوکز با ابزارهای با مصرف انرژی کم ترکیب شوند، ایمپلنت هایی بدون نیاز به هرگونه انرژی خارجی تولید می شوند.» وی که نویسنده کتاب Ultra Low Power Bioelectronics نیز هست در مورد کتاب می گوید، این کتاب توضیح می دهد که چگونه ابزارهای کم مصرف (ultra-low-power) را با طرح های تولید انرژی پیوند بزنیم و ابزارهایی تولید کنیم که خودشان انرژی خودشان را تامین کنند.

گروه سرپشکار روی تمامی زوایای ایمپلنت ها و ابزارهای مصنوعی مغزی، شامل ابزارهای ثبت اطلاعات و تحریکات نورون ها (سلول های مغز)، ترجمه سیگنال های عصبی و ایمپلنت های با قابلیت برقراری تماس وایرلس کار کرده اند. این ابزارها می توانند فعالیت الکتریکی صدها نورون قشر خاکستری حرکتی مغز را - که حرکات را کنترل می کند - ثبت کنند. سپس این اطلاعات تقویت شده و به سیگنال های دیجیتالی تبدیل و به کامپیوتر (یا در تیم سرپشکار میکروچیپ هایی که در مغز کاشته می شوند) فرستاده می شوند، که اطلاعات را آنالیز و حرکت (دست یا پای) مورد نظر مغز را تشخیص می دهد.

ساخت سلول سوختی گلوکز با همکاری Jakub Kedzierski از آزمایشگاه لینکلن ام آی تی ساخته شد. سرپشکار می گوید «همکاری با لینکلن آرزوی دیرینه مرا - برای ساخت ابزارهای با برق گلوکزی - به واقعیت بدل کرد.» از طرف دیگر، همه می دانیم که این یک شروع برای آوردن این تکنولوژی ها به بازار مصرف است. وی می گوید هنوز سال های زیادی تا تکنولوژی نهایی فاصله داریم.

آشنایی با انرژی خورشیدی - بخش اول

قصد دارم به صورت تخصصی مطالبی رو در خصوص آشنایی با انرژی خورشیدی به زبان ساده در این وبلاگ منتشر کنم. این مطالب در چند بخش تهیه شده است. امیدوارم که با کمک شما عزیزان مجموعه ای کامل در زمینه انرژی خورشیدی به زبان فارسی فراهم کنیم.

بخش اول: مقدمه

انرژی خورشیدی منبع تمام انرژی های روی زمین است. انسان ها، حیوانات و تمام گیاهان برای آسایش و غذای خود به خورشید احتیاج دارند. بنابراین انسان ها انرژی خورشید را به طریق مختلف به کار گرفته اند.

 به عنوان مثال سوخت های فسیلی(Fossil Fuel)، زواید گیاهی از دوران بسیار قدیمی هستند  که در حمل و نقل و تولید برق به کار می روند و انرژی خود از انرژی خورشید در میلیون ها سال قبل به دست آوردند. مشابه آن ها زیست توده ها (Biomass) انرژی خورشید را به سوخت تبدیل می کنند که برای گرما، حمل و نقل و برق مناسب است. انرژی باد(Wind Energy) که برای صدها سال انرژی مکانیکی لازم برای حمل و نقل را فراهم کرده است، از جریان های هوایی استفاده می کند که به واسطه نور خورشید گرم شده اند و در روی زمین حرکت می کنند. امروزه توربین های بادی انرژی باد را به برق تبدیل می کنند. حتی انرژی آبی(Hydropower) هم منشا آن از خورشید است. این انرژی به تبخیر آب توسط خورشید و همچنین بازگشت آن به زمین به صورت باران بستگی دارد.

English: Renewable Energy and Fossil Fuel. A wind pump supplies electricity in small quantities for a specific, local job whilst the pylon in the background carries electricity generated from the burning of fossil fuel at Fiddler's Ferry power station nearby. Taken looking north from SJ575871 (Photo credit: Wikipedia)

فوتوولتاییک (Photovoltaic) یک راه ساده و مستقیم برای استفاده از انرژی خورشید است. سیستم های خورشیدی آلودگی ندارند، سر و صدا ندارند، قطعات متحرک ندارند و طول عمر بالایی دارند.

Photovoltaic solar roof (Photo credit: explainthatstuff)

طراحی سلول های خورشیدی با بازدهی 43.5 درصد توسط کمپانی شارپ

شرکت ژاپنی شارپ(Sharp) اخیرا با استفاده از یک سلول خورشیدی متمرکز سه اتصاله به رکورد 43.5 درصد بازدهی تبدیل انرژی دست یافته است.

این اندازه گیری در آوریل توسط موسسه فرانهوفر در فرایبورگ آلمان تایید شده است. سلول به کار رفته دارای مساحت 167 سانتی متر مربع زیر نور متمرکز شده ی 306 برابر شده است.

ساختار اصلی این سلول خورشیدی سه اتصاله از تکنولوژی جدید شارپ بهره می برد که در آن لایه های جذب سه فوتونی فعال هستند و لایه گالیوم آرسناید(InGaAs) در لایه آخر است.

شارپ همچنین فاصله بین الکترودها روی سطح را بهینه کرده است و مقاومت الکتریکی سلول را حداقل کرده است.

به خاطر بازدهی بالای این مدل سلول های خورشیدی معمولا از آنها در ماهواره های فضایی استفاده می شود اما شارپ در نظر دارد که در آینده از این فناوری های نوین برای تولید برق در روی زمین و توسط سلول های خورشیدی با مساحت کم استفاده کند.

چرا انرژی خورشیدی در جنگ انرژی، پیروز می شود؟

اگر شما بخواهید نگاهی گذار به مختصات انرژی در بیشتر اقتصاد های مهم جهان در سال های پیش رو بیاندازید، اطلاعات تولید انرژی آلمان در ماه می نقطه بدی برای شروع نیست.

در زیر تعدادی از گراف های مربوط به اجلاس انرژی خورشیدی آلمان-استرالیا که این هفته در برلین برگزار شد آورده شده است. دکتر گرین پیشتاز علم سلول های خورشیدی و رئیس مدرسه انرژی خورشیدی در UNSW و دکتر برگر از موسسه فرانهوفر در فرایبورگ این گراف ها را ارائه دادند.

اولین گراف بسیار دراماتیک است. این گراف نشان دهنده رشد سهم انرژی های نو در تولید برق آلمان در ماه مه است. این گرفا بر اساس داده های واقعی تولید توسط توزیع کنندگان محلی است. رکورد 20 گیگا وات توسط انرژی خورشیدی در روز جمعه 26 مه و  22 گیگا وات در روز بعد به خوبی سهم انرژی خورشیدی را در تولید برق در طول ماه نشان می دهد.

آلمان به تنهایی بیشتر از تمام دنیا پانل خورشیدی نصب کرده است (27 گیگا وات). دکتر گرین معتقد است که این شرایط مطمئنا به زودی در بسیار از بازارهای انرژی اتفاق خواهد افتاد و انرژی خورشیدی به حرمت سریع خود در کاهش قیمت و رشد فنی ادامه خواهد داد.

استرالیا تنها 1.5 گیگا وات پنل خورشیدی نصب کرده است و این بخش اندکی از بازار ملی انرژی این کشور است. اما بر اساس پیش بینی که توسط اوپراتور انرژی استرالیا هفته گذشته منتشر شد برای تولید بیش از 18 گیگاوات انرژی توسط پنل های سقفی تا سال 2031، این گراف می تواند دراماتیک تر هم باشد. به خصوص با توجه به اینکه میزان تشعشعات خورشیدی دراسترالیا دو برابر آلمان است.

گراف بعدی نشان دهنده وضعیت هفته آخر ماه مه با جزییات بیشتر است. پیک هایی که الان توسط انرژی خورشیدی اشغال شده معمولا توسط ژنراتور های گازی تامین می شده است. این موضوع همچنین بر روی قیمت ها نیز تاثیر گذاشته و باعث کاهش قیمت محسوس شده است.

گراف زیر اتفاقی که در روز جمعه 25 ماه مه افتاد را توضیح می دهد که پیک انرژی تولید شده توسط انرژی خورشیدی به 22.4 گیگاوات رسید. در ساعات گرم روز در حالی که معولا انتظار می رود که تولید انرژی های معمولی بیشتر شود(همچنین قیمتشان)، انرژی خورشیدی و بادی به خوبی از پس تامین انرژی بر آمدند با این تفاوت که هزینه تولید انرژیشان تقریبا نزدیک به صفر بود.

در گراف زیر هم نسبت تولید انرژی های خورشیدی و بادی رو نسبت به هم مشاهده می کنید. همانطور که می بینید مجموع انرژی تولید شده در این پنج ماه ابتدایی سال میلادی تقریبا ثابت است. این موضوع از این جهت مهم است که تعادل انرژی با پیشرفته شدن این تکنولوژی ها حفظ خواهد شد و همانطور که می بینید در زمستان انرژی بادی سهم بیشتری دارد و هر چه به تابستان نزدیک می شویم سهم انرژی خورشیدی بیشتر می شود. البته مشکلاتی که ممکن است در مورد تعادل انرژی پیش بیاید هم به وسیله ذخیره سازی انرژی و سایر تولید کننده های انرژی مانند گاز قابل رفع هستند.

گراف بعدی نشاندهنده تغییرات ظرفیت انرژی نصب شده در جهان در طی هفت سال اخیر است.  انرژی بادی و خورشیدی برتری قابل توجهی دارند و با توجه به رشد روز افزون آنها در آینده این موضوع چشم گیرتر نیز خواهد شد.

منبع: http://reneweconomy.com.au