تبدیل ضایعات میوه «دارابی» به فناوری تولید برق

به گزارش ایسنا، «دارابی» یک میوه بزرگ از خانواده مرکبات است که به طور گسترده در شرق و جنوب شرقی آسیا کشت می‌شود. این میوه پوست بسیار ضخیمی دارد که معمولاً دور ریخته می‌شود و بخش قابل توجهی از مواد غذایی را تشکیل می‌دهد.

به نقل از اس‌تی‌دی، محققان دانشگاه ایلینوی(Illinois) روش‌هایی را برای استفاده مجدد از این «زیست توده»(biomass) توسعه داده‌اند. آنها در این روش موفق به توسعه ابزارهایی شده‌اند که قادر به تأمین انرژی دستگاه‌های الکترونیکی کوچک و رصد حرکات «زیست‌مکانیکی» هستند.

«زیست‌مکانیک» علم استفاده از اصول مکانیک در سامانه‌های زیست‌شناسی مانند انسان، جانوران و گیاهان است.

«زیست‌توده» نیز به معنای زباله‌هایی است که منشأ زیستی داشته باشند و از تکثیر سلولی پدید آمده باشند.

«یی- چنگ وانگ»(Yi-Cheng Wang)، استادیار گروه علوم غذایی و تغذیه انسانی در دانشگاه ایلینوی و نویسنده این مطالعه گفت: پوست «دارابی» دو بخش اصلی، یک لایه بیرونی نازک و یک لایه داخلی ضخیم و سفید دارد. قسمت سفید آن نرم است و وقتی آن را فشار می‌دهید، مانند اسفنج به نظر می‌رسد.

وی افزود: برخی از افراد از پوست این میوه برای استخراج ترکیبات روغن‌های ضروری استفاده کرده‌اند، اما ما می‌خواستیم از ساختار پرمنفذ و اسفنجی طبیعی پوست آن بهره ببریم. اگر بتوانیم پوست این میوه را به جای دور انداختن، به محصولات با ارزش بالاتری تبدیل کنیم، نه تنها می‌توانیم ضایعات حاصل از تولید، مصرف و آبگیری «دارابی» را کاهش دهیم، بلکه می‌توانیم ارزش مواد غذایی و ضایعات کشاورزی را بالا ببریم.

میوه «دارابی» بین یک تا دو کیلوگرم وزن دارد که پوست آن ۳۰ تا ۵۰ درصد از کل وزن آن را تشکیل می‌دهد. دانشمندان در مطالعه خود، پوست این میوه را جدا کردند و بیرونی‌ترین لایه را برداشتند و سپس پوست ضخیم و سفید داخلی آن را بررسی کردند. آنها آن را به قطعات کوچکتر برش دادند و برای حفظ ساختار سه‌بعدی پرمنفذش، آن را خشک و منجمد کردند. سپس این نمونه‌ها را برای بررسی بیشتر در شرایط رطوبتی مختلف نگهداری کردند.

این تیم تحقیقاتی با استفاده از ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی پوست این میوه، با موفقیت یک فناوری را طراحی کرد که انرژی مکانیکی را به برق تبدیل می‌کند. همچنین این فناوری به عنوان حسگرهای حرکتی خودشارژ عمل می‌کند.

بهره‌برداری از الکتریسیته تماسی

«وانگ» گفت: مکانیسم پایه این فناوری، «الکتریسیته تماسی» یا «تریبوالکتریک»(triboelectrification) است. این مسئله ممکن است پیچیده به نظر برسد، اما در واقع بسیار ساده است و ما همیشه آن را تجربه می‌کنیم. مثلا وقتی دستگیره در را لمس می‌کنیم، گاهی اوقات وجود برق را حس می‌کنیم.

وی افزود: «تریبو» به معنای مالش یا تماس است. وقتی دو ماده با یکدیگر تماس پیدا می‌کنند، به دلیل انتقال بارها بین آنها، الکتریسیته ساکن می‌تواند تشکیل شود. ما می‌خواستیم بررسی کنیم که آیا می‌توانیم آن الکتریسیته را جمع‌آوری و استفاده کنیم یا خیر.

محققان از «زیست‌توده» میوه «دارابی» و یک نوار پلاستیکی به عنوان دو لایه «تریبوالکتریک» استفاده کردند که در صورت وجود نیروی خارجی در تماس با یکدیگر قرار می‌گیرند. آنها یک الکترود فویل مسی را به هر یک از این لایه‌ها متصل کردند و میزان تبدیل انرژی مکانیکی خارجی به الکتریسیته توسط فناوری حاصل را ارزیابی کردند.

با ضربه‌ای ساده توسط انگشت به این سامانه، می‌توان حدود ۲۰ «دیود نور گسیل»(LED) تولید کرد. محققان همچنین نشان دادند که یک ماشین حساب یا ساعت ورزشی می‌تواند تنها با این نیروهای مکانیکی و بدون نیاز به برق خارجی شارژ شود.

«وانگ» توضیح داد: این کاربرد، پتانسیل بالایی برای تبدیل انرژی هدر رفته به برق مفید دارد. ما همچنین دریافتیم که به لطف ساختار پرمنفذ طبیعی پوست «دارابی»، دستگاه‌های «تریبوالکتریک» بر پایه آن می‌توانند به نیرو و فرکانس نیرو بسیار حساس باشند. این امر ما را بر آن داشت تا دستگاه‌های حسگری را توسعه دهیم که می‌توانند برای نظارت زیست‌مکانیکی به بدن انسان متصل شوند.

نظارت بر حرکات انسان و پیامدهای آینده

حسگرهای تولیده شده توسط محققان، هنگامی که به قسمت‌های مختلف بدن متصل شدند، توانستند حرکات زیست‌مکانیکی مانند حرکات مفاصل و الگوهای راه رفتن را رصد کنند. این به این دلیل بود که حرکات قسمت‌های مختلف بدن می‌تواند منجر به تولید «الکتریسیته تماسی» شود و سیگنال‌های الکتریکی متمایزی مربوط به حرکات مختلف ایجاد کند. این قابلیت، پتانسیل بالایی برای ارائه بینش‌های ارزشمند به متخصصان مراقبت‌های بهداشتی و توانبخشی فیزیکی دارد.

«وانگ» خاطرنشان کرد: این کار فرصت‌های خوبی را برای تبدیل ضایعات مواد غذایی به دستگاه‌ها یا مواد با ارزش ایجاد می‌کند. این فرصت با جایگزینی یا تکمیل مواد تجدیدناپذیر و کاهش ضایعات می‌تواند به طور قابل توجهی به پایداری بلندمدت منابع کمک کند. ما به بررسی فرصت‌های بیشتر برای بازیافت مجدد مواد غذایی و ضایعات کشاورزی ادامه خواهیم داد.

محققان یک حق ثبت اختراع موقت برای «دستگاه‌های تریبوالکتریک» بر پایه پوست میوه «دارابی» ثبت کرده‌اند.