Как получить электричество из растений

Как это работает?

Королевство Нидерланды более полувека специализируются на разработке всевозможных видов альтернативных источников энергии. В последнее десятилетие голландские биоинженеры компании Plant-e вплотную занялись исследованиями возможности получения электричества из растений, используя побочные продукты фотосинтеза (особый вид углеводов) и добились определённых успехов. Оказалось, что небольшие по площади плантации зелёных насаждений вполне способны выделять энергию, достаточную, например, для подзарядки мобильных устройств, поддержания работы Wi-Fi и настольных светодиодных светильников, подсветки дорожных знаков. Но как это возможно?

 

Суть научного эксперимента заключалась в попытке использовать излишки сахаридов – веществ, которые образуются растениями в процессе фотосинтеза. Для его проведения учёные высадили в контейнер, выполненный из пластикового материала, специально подобранные растения. Площадь посадки составила всего четверть квадратного метра. Помещённые в благоприятные условия растения активно начали расти, в листьях пошёл процесс фотосинтеза, в результате которого растения продуцируют углеводы, необходимые для собственного роста. Однако было установлено, что количество этих углеводов во много раз превышает объёмы, необходимые для нормальной жизнедеятельности зелёного насаждения. Излишки посредством корневой системы растения просто сбрасывали в почву.

Лишние сахариды (углеводы), попав в почву, вступают в химическую реакцию с кислородом, поступающим в грунт из атмосферы. В результате появляются свободные электроны. Теперь эти электроны надо собрать и трансформировать в электричество.

 

Пластиковый контейнер с питательной средой для растений разделён на два отсека – аэробный катодный и анаэробный анодный. Между ними расположена мембрана, пропускающая только ионы (в нашем случае водорода), которые, проходя сквозь неё, добираются до катода. В катодной камере постоянно идёт процесс синтеза воды (водород соединяется с кислородом). Свободные электроны начинают двигаться к аноду и передаются на катод по внешней цепи. Так происходит выработка электроэнергии, которая направляется на питание точки освещения или к гаджету.

Четверть квадратного метра опытной делянки способна выработать 7 кВт электроэнергии в год.

Следовательно, квадратный метр – уже 28 кВт, а 100 метров (небольшой парник во дворе) – 2800 кВт. Теоретические расчеты наглядно показывают, что при использовании энергосберегающих видов техники и ламп количества электричества вполне хватит для обеспечения нескольких небольших соседних жилых домов.

Демонстрация проекта и его перспективы

 

Презентация разработки, которую назвали «Звездное небо», прошла ещё в 2014 году. В ходе демонстрации все желающие могли наблюдать одновременную работу 300 светодиодных светильников, осуществляющуюся за счёт фитоэнергии.

Голландские ученые уверены в практичности собственной разработки, которая позволит наладить снабжение электроэнергией самых отдалённых селений на планете, поскольку растения растут повсеместно. Особенно актуально это выглядит для мест, где выращивают рис. Рисовые поля отлично подходят в качестве плантации для организации процесса выработки биоэнергии.

 

Плантации зелёных насаждений достаточно большой площади можно выращивать на крышах жилых и офисных помещений, что также повысит эффективность энергосбережения при достаточной обеспеченности электричеством, которое будет синтезироваться без всякого вреда для самих растений и окружающей среды в целом.

Сейчас взоры голландских биоинженеров направлены в сторону болот. По идее разработчиков в жидкую среду болота, дельты реки, рисовое поле будут помещены специальные трубы (горизонтально) и организован процесс выработки электрического тока аналогично тому, что уже происходит на лабораторных грядках. Предполагается, что проект будет воплощён в ближайшие 3-5 лет.

Другие эксперименты

Проблемами биоэнергетики заняты не только голландские биоинженеры, но и специалисты других стран, например, США.

Что такое бактериородопсин?

 

Ещё в 1973 году американские учёные описали белок клеточных мембран фиолетовых бактерий, живущих в солёных озёрах пустынь Калифорнии, который назвали бактериородопсин. Его выделяют уникальные галобактерии, живущие в экстремальных условиях сильно повышенной солёности. А само вещество выдерживает тепловое воздействие выше 100 °С, а также не теряет свойств после нескольких лет хранения в морозильных камерах.

Под воздействием солёной среды галобактерии перенасыщаются водой и лопаются. Их содержимое перемешивается со внешней средой, но мембраны с бактериородопсином благодаря плотной молекулярной «упаковке» не лопаются, а образуют микрокристаллы фиолетового цвета. В этих кристаллах молекулы белка сначала группируются в триады, которые затем собираются в шестиугольники правильной формы. Кристаллы имеют достаточную величину, чтобы их выделить из раствора методом центрифугирования. В результате промывки аппарата на свет появляется чистая желеобразная масса фиолетового цвета, на 75% состоящая из бактериородопсина и на 25% – из фосфолипидов.

 

Оказалось, что если на этот осадок воздействовать лучами света, то вольтметр показывает присутствие энергии. Как только воздействие света прекращается, вольтметр замирает. Этот эксперимент доказывает, что бактериородопсин может генерировать электрический ток. Однако пока это открытие дальнейшего развития не получило.

Другим примером разработок в области фитоэнергетики является белковая генераторная батарея, созданная в одной из лабораторий Калифорнийского университета, которая смогла поддерживать работу светодиодного светильника около полутора часов. Также интересна разработка уникального приёмника, функционирующего на фитоэнергии, вырабатываемой мхом. Его создала группа европейских учёных. Однако всё это пока только идеи, нуждающиеся во множестве доработок.

Ближе всего к реализации возможности получения тока из растений оказались именно голландцы из компании Plant-e, которые знают не только о том, можно ли получить электричество из растений, но и как это сделать на практике.

IV. Об использовании фруктов и овощей для получения электричества

Недавно израильские ученые изобрели новый источник экологически чистого электричества. В качестве источника энергии необычной батарейки исследователи предложили использовать вареный картофель, так как мощность устройства в этом случае по сравнению с сырым картофелем увеличится в 10 раз. Такие необычные батареи способны работать несколько дней и даже недель, а вырабатываемое ими электричество в 5-50 раз дешевле получаемого от традиционных батареек и, по меньшей мере, вшестеро экономичнее керосиновой лампы при использовании для освещения.

Индийские ученые решили использовать фрукты, овощи и отходы от них для питания несложной бытовой техники. Батарейки содержат внутри пасту из переработанных бананов, апельсиновых корок и других овощей или фруктов, в которой размещены электроды из цинка и меди. Новинка рассчитана, прежде всего, на жителей сельских районов, которые могут сами заготавливать фруктово-овощные ингредиенты для подзарядки необычных батареек. В Индии создали батарейку на пасте из фруктов и овощей. В Австралии в 2003 году запущена электросиловая установка на ореховой скорлупе. 4

Советы любознательным

Как добыть электричество из картошки?

У вас на даче нет электричества, но есть мешок картофеля. Из клубней картошки можно получить электричество бесплатно, все что нам понадобится, это соль, зубная паста, провода и картофелина.

Разрежьте её пополам ножом, через одну половинку проведите провода, в то время как в другой сделайте по центру углубление в форме ложки, после чего наполните её зубной пастой, смешанной с солью.

Соедините половинки картошки (к примеру зубочистками ), причем провода должны контачить с зубной пастой, а их самих лучше зачистить. Все! Теперь вы можете при помощи вашего генератора электричества устраивать пытки, зажигать костры от электрической искры и зажигать импровизированные лампочки с обугленными волокнами бамбука вместо нитей накаливания.

II. Основная часть

2.1 История создания батарейки

Первый химический источник электрического тока был изобретен случайно, в конце 17 века итальянским ученым ЛуиджиГальвани. На самом деле целью изысканий Гальвани был совсем не поиск новых источников энергии, а исследование реакции подопытных животных на разные внешние воздействия. В частности, явление возникновения и протекания тока было обнаружено при присоединении полосок из двух разных металлов к мышце лягушачьей лапки.
Теоретическое объяснение наблюдаемому процессу Гальвани дал неверное 2 истолкование. Опыты Гальвани стали основой исследований другого итальянского ученого — Алессандро Вольта. Он сформулировал главную идею изобретения. Причиной возникновения электрического тока является химическая реакция, в которой принимают участие пластинки металлов. Для подтверждения своей теории Вольта создал нехитрое устройство. Оно состояло из цинковой и медной пластин погруженных в емкость с соляным раствором. В результате цинковая пластина (катод) начинала растворяться, а на медной стали (аноде) появлялись пузырьки газа. Вольта предположил и доказал, что по проволоке протекает электрический ток. Несколько позже ученый собрал целую батарею из последовательно соединенных элементов, благодаря чему удалось существенно увеличить выходное напряжение. Именно это устройство стало первым в мире элементом питания и прародителем современных батарей. А батарейки в честь Луиджи Гальвани называют теперь гальваническими элементами 3 .

2.2 Создание фруктовой батарейки

а) с использованием одного элемента

Для создания фруктовой батареи мы попробовали взять лимоны, яблоки, огурцы свежие и соленые, помидоры, картофель сырой и вареный. Положительным полюсом определили несколько блестящих медных пластин. Для создания отрицательного полюса решили использовать оцинкованные пластины. Конечно же, понадобились провода, с зажимами на концах. Ножом сделала в фруктах небольшие надрезы, куда вставила пластины (электроды). После соединения всех частей воедино у меня получилась фруктовая или овощная батарейка (рис. 1).

 

Рисунок 1

Название	Напряжение, В	Сила тока, А
Лимон	0,81	0,18
Яблоко	0,84	0,12
Огурец (свежий)	0,8	0,11
Огурец (соленый)	0,9	0,2
Картофель (сырой)	0,5	0,25
Картофель (вареный)	0,75	0,5

Вывод: Исследования показали, что наибольшее значение силы тока наблюдается у соленого огурца, сырого картофеля и лимона. Значения напряжения и силы тока в варёном картофеле в два раза больше, чем в сыром.

б) разные комбинации последовательного соединения элементов

Исследовала разные комбинации последовательного соединения элементов, фруктов и овощей (рис. 2).

 

Рисунок 2

Название	Напряжение, В	Сила тока, А
Лимон + огурец	1,68	0.7
Два лимона	1,4	0,5
Две картошки	1,62	0,5
Три картошки	2,2	0,5
2 огурца	1,01	0.6

Вывод: соединяя последовательно объекты исследования, выяснила, что вареный картофель, лимон-огурец, дают наибольшую разность потенциалов.

2.3. Исследования электропроводности овощей и фруктов во время хранения

Название	Ноябрь I, мкА / m, г	Январь I, мкА / m, г
картофель	50-45 /150	40-36/150
свекла	33-25 /208	23-20 /208

Давно известно, что все плоды растений представляют собой открытые системы биологического происхождения сложного физико-химического состава с характерными особенностями функционирования в течение всего их развития и хранения, а преобладающим компонентом является вода.

Следовательно в процессе хранения овощи и фрукты «усыхают», т.е. количество жидкости в них уменьшается, а содержание газов увеличивается, в результате чего электpопpоводность их тоже должна уменьшаться, в чем я убедилась проверяя в январе этого года. Считаю, что используя такие данные, легко отличить плоды нового урожая текущего года от плодов и овощей прошлого.

Вывод: Экспериментально было выявлено, что постепенно сила тока и напряжение уменьшаются. Оказалось, что величины силы тока и напряжения связаны с кислотностью продукта.

2.4. Возможность практического применения электрических свойств овощей

а) источник тока для часов

В ходе измерений попытались оценить возможность практического применения электрических свойств овощей.

От четырех последовательно соединенных вареных картофелин стали работать часы маленькие (рис. 3) и большие (рис. 4).

Рисунок 3	Рисунок 4

б) освещение

Зажглась лампочка (рис. 5).

 

Рисунок 5

в) зарядка телефона

Разряженный телефон я подключила к пяти, последовательно соединенным вареным картофелинам, телефон заработал (рис. 6).

 

Рисунок 6

г) подключение калькулятора

Вытаскивая медную и цинковую пластины из овощей и фруктов, мы обратили внимание на то, что они сильно окислились. Это значит, что кислота вступала в реакцию с цинком и медью. За счет этой химической реакции и протекал очень слабый электрический ток.

Электричество и поглощение микроэлементов растениями

Под влиянием биоэлектрических потенциалов образуется биоэлектрическая полярность растений в их осевом направлении. Ее используют для помощи растениям в особо неблагоприятных условиях: низкие температуры, засуха или малая освещенность. Воздействие на растения очень слабыми токами (несколько микроампер) помогает им справиться с разными стрессовыми ситуациями и улучшить свою жизнедеятельность.

Если к верхушке тепличного томата или огурца подключить ток с отрицательным полюсом, а к основанию — с положительным, то происходит значительная стимуляция роста, поглощения питательных элементов и большая прибавка в урожае. Растение в этом случае станет устойчивым к неблагоприятным факторам среды. Оказалось, что достигается это за счет лучшего поступления в растение микроэлементов: меди, марганца, железа и т.д.

Электрический ток, преобразуемый в свет специального спектрального состава, позволяет получать в закрытых помещениях урожаи овощей, превосходящие в несколько раз высокие тепличные и в более короткие сроки.

Электричество и фотосинтез растений

Оказывается можно искусственно ускорить фотосинтез (преобразование световой энергии в биологическую) растения, если через корневую систему растения пропустить слабый электрический ток. Хорошие результаты дает применение солнечных батарей. Эффект заметен даже при подключении одного фотоэлемента, имеющего э.д.с. всего лишь 0,5 В.

Правда, оптимальный режим такого электростимулирования (точные значения напряжения и силы тока) пока неизвестен, хотя опыты по электрической стимуляции роста сельскохозяйственных культур ставились еще в прошлом веке.