تولید باورنکردنی برق از هوایی که نفس می‌کشیم!

مدتهاست می‌دانیم که یکی از باکتری‌های خانواده سل می‌تواند هیدروژن موجود در هوا را به الکتریسیته تبدیل کند. اکنون دانشمندان چگونگی آن را کشف کرده‌اند.

دانشمندانی که بر روی یکی از خویشاوندان باکتری که عامل ایجاد سل و جذام است مطالعه می‌کنند، آنزیمی را کشف کرده‌اند که می‌تواند هیدروژن را به الکتریسیته تبدیل کند. این کشف آنها را به این فکر انداخته که به معنای واقعی می‌توانند از هوای رقیق به عنوان منبعی برای تولید انرژی جدید و پاک، استفاده کنند.

باکتری مایکوباکتریوم اسمگماتیس ( Mycobacterium smegmatis) از آنزیمی با نام Huc استفاده می‌کند تا از هیدروژن موجود در هوا( اتمسفر)، برای تولید انرژی استفاده ‌کند، و به این آنزیم این امکان را می‌دهد تا در محیط‌هایی که در معرض کمبود شدید مواد مغذی هستند، زنده بماند.

اکنون محققان با استخراج و مطالعه این آنزیم می‌گویند که منبع انرژی جدیدی برای تامین انرژی مورد نیاز برخی دستگاه‌های الکتریکی قابل حمل پیدا کرده‌اند. آنها یافته‌های خود را در تاریخ ۸ مارچ در مجله نیچر منتشر کردند.

ریس گرینتر، میکروبیولوژیست دانشگاه موناش استرالیا، و نویسنده اصلی این مقاله در ایمیلی به لایو ساینس نوشت: «ما تصور می‌کنیم که یک منبع انرژی حاوی Huc، می‌تواند انرژی مورد نیاز طیف وسیعی از دستگاه‌های کوچک قابل حمل، از جمله حسگرهای بیومتریک، نمایشگرهای محیطی، ساعت‌های دیجیتال، و ماشین‌حساب‌ها یا کامپیوترهای ساده را با استفاده از هوا، تامین کند.»

او گفت: «وقتی برای Huc هیدروژن غلیظ تری فراهم می‌کنید، جریان الکتریکی بیشتری تولید می‌کند. این بدان معناست که می‌توانید از انرژی تولید شده آن در سلول‌های سوختی برای تامین انرژی دستگاه‌های پیچیده‌تری مانند ساعت‌ها و یا گوشی‌های هوشمند، کامپیوترهای پیچیده‌تر قابل حمل‌تر و حتی در یک خودرو سواری استفاده کنید.»

مایکوباکتریوم اسمگماتیس یک باکتری غیربیماری‌زا است که بسیار سریع رشد می‌کند و اغلب از آن در آزمایشگاه برای مطالعه ساختار دیواره سلولی مایکوباکتریوم توبرکلوزیس(که با مایکوباکتریوم اسمگماتیس از یک خانواده هستند)، که عاملی بیماری زا است استفاده می‌شود. مایکوباکتریوم معمولا در خاک و در سرتاسر جهان یافت می‌شود، و مدت‌هاست که به عنوان میکروبی که می‌تواند هیدروژن هوا را به انرژی تبدیل کند شناخته شده است؛ به گفته محققان، به این ترتیب این میکروب قادر است تا در سخت‌ترین محیط‌ها از جمله در خاک‌های قطب جنوب، دهانه‌ آتشفشان‌ها و در اعماق اقیانوس‌ها، که اغلب سوخت دیگری در آن یافت نمی‌شود زنده بماند.

اما این موضوع که مایکوباکتریوم اسمگماتیس چطور این کار را انجام می‌دهد، تا به امروز بصورت یک راز باقی مانده بود.

برای بررسی فعل و انفعالات شیمیایی پشت پرده، برای این توانایی شوکه‌کننده مایکوباکتریوم اسمگماتیس، دانشمندان ابتدا با استفاده از کروماتوگرافی، آنزیم Huc که مسئول انجام این فرآیند است را جدا کردند. (کروماتوگرافی یک تکنیک آزمایشگاهی است که دانشمندان را قادر می‌سازد تا اجزای یک مخلوط را از یکدیگر جدا کنند). آنها سپس با استفاده از میکروسکوپ الکترونی کرایو ( تکنیکی که سازندگان آن برنده جایزه نوبل شیمی در سال ۲۰۱۷ شدند)، به بررسی ساختار اتمی این آنزیم پرداختند. محققان با ارسال الکترون‌ها به نمونه یخ‌زده Huc که از مایکوباکتریوم اسمگماتیس جمع‌آوری شده بود، ساختار اتمی آنزیم و همچنین مسیرهای الکتریکی را که این آنزیم برای حمل الکترون‌ها استفاده می‌کند تا جریان تولید کند، را ترسیم کردند.

این تیم کشف کردند که Huc در مرکز خود، ساختاری به نام مکان فعال دارد که حاوی یون‌های باردار نیکل و آهن است. زمانی که مولکول‌های هیدروژن (متشکل از دو پروتون و دو الکترون) وارد این مکان فعال می‌شوند، بین یون‌های نیکل و آهن به دام می‌افتند و از الکترون‌های خود جدا می‌شوند. سپس این آنزیم، الکترون‌ها را در یک مسیر روان، برای تولید جریان الکتریسیته می‌فرستد.

گرینتر گفت: «الکترون‌ها توسط Huc (خصوصا یون نیکل) جذب می‌شوند و (توسط یک رشته مولکولی که توسط خوشه‌هایی از یون‌های آهن و گوگرد تشکیل شده است)به سطح Huc منتقل می‌شوند. اگر Huc را روی یک الکترود بی‌حرکت کنیم، الکترون‌ها می‌توانند از سطح آنزیم وارد مدار الکتریکی شده و جریان تولید کنند.”

آزمایشات بیشتر نشان دادند که آنزیم Huc جدا شده را می‌توان برای طولانی مدت ذخیره کرد؛ و آنها از یخ زدن یا گرم شدن تا دمای ۸۰ درجه سانتیگراد جان سالم به در می‌برند و زنده می‌مانند. همچنین آنها می توانند هیدروژن را در غلظت پایینی به اندازه ۰.۰۰۰۰۵ درصد، از هوایی که ما تنفس می‌کنیم، دریافت کرده و مصرف کنند. محققان می‌گویند این ویژگی‌ها، در کنار سایر خصوصیات این میکروب که در همه جا وجود دارد وبه آسانی رشد می‌کند، می‌تواند این آنزیم را به یک مورد ایده‌آل برای منبع انرژی در باتری‌های آلی تبدیل کند.

گرینتر می‌گوید:«Huc می‌تواند انرژی را از هیدروژن موجود در هوا، که عملا نامحدود است، تولید کند. مقدار الکتریسیته‌ای که می‌توان از غلظت‌های پایین هیدروژن در هوا تولید کرد، کم خواهد بود. این موضوع استفاده از Huc را به دستگاه‌هایی که به مقدار انرژی کم، اما پایدار نیاز دارند محدود می‌کند. استفاده تکمیلی از Huc می‌تواند در پیل‌های سوختی باشد که غلظت بالایی از هیدروژن در آنها وجود دارد.”

منبع: livescience