Cảm ơn những con cá điện, nếu không có chúng, pin của chúng ta sẽ tệ

Khi nhu cầu về năng lượng di động lớn ngày càng tăng nhanh chóng trên toàn cầu, nhiều người sáng tạo đã tìm cách thay thế công nghệ pin hiện tại bằng điều gì đó tốt hơn.

Nhà vật lý người Ý Alessandro Volta khám phá nguyên lý điện hóa cơ bản khi ông phát minh ra viên pin đầu tiên vào năm 1800. Đơn giản, việc kết hợp vật liệu khác nhau, thường là kim loại, tạo ra một phản ứng hóa học dẫn đến sự chảy của electron từ một vật liệu sang vật liệu khác. Luồng electron đó đại diện cho năng lượng di động có thể được khai thác để tạo ra điện.

Vật liệu đầu tiên được người ta sử dụng để làm pin là đồng và kẽm. Những viên pin tốt nhất hiện nay - những viên pin có công suất điện cao nhất trong kích thước nhỏ nhất - kết hợp kim loại lithium với một trong nhiều hợp chất kim loại khác nhau. Có những cải tiến liên tục qua các thế kỷ, nhưng pin hiện đại vẫn dựa vào chiến lược giống như của Volta: kết hợp các vật liệu có thể tạo ra một phản ứng điện hóa và bắt giữ electron được tạo ra.

Nhưng như tôi mô tả trong cuốn sách của mình “Spark: Cuộc sống của Điện và Điện của Cuộc sống,” ngay trước khi pin được tạo ra bởi con người bắt đầu tạo ra dòng điện, các loài cá điện, như cá điện nước mặn (Torpedo torpedo) ở Địa Trung Hải và đặc biệt là các loài cá điện nước ngọt ở Nam Mỹ (bộ Gymnotiformes) đã nổi tiếng với khả năng tạo ra dòng điện đáng kinh ngạc. Thực tế, các loài cá điện đã truyền cảm hứng cho Volta tiến hành nghiên cứu gốc mà cuối cùng đã dẫn đến viên pin của ông, và những nhà khoa học pin ngày nay vẫn nhìn đến những loài động vật điện này để tìm ý tưởng.

Sao chép cơ quan điện của con cá điện

Trước viên pin của Volta, cách duy nhất để người ta tạo ra điện là xoa nhiều vật liệu lại với nhau, thường là lụa trên kính, và bắt giữ dòng điện tĩnh kết quả. Điều này không phải là cách dễ dàng hoặc thực tế để tạo ra năng lượng điện hữu ích.

Volta biết rằng cá điện có một cơ quan nội tại chuyên dành để tạo ra điện. Ông lập luận rằng nếu ông có thể mô phỏng cách hoạt động của nó, có thể ông sẽ tìm ra một cách mới để tạo ra điện.

Cơ quan điện của cá gồm các đống tế bào dài rất giống như một cuộn xu. Vì vậy, Volta cắt ra các đĩa giống như xu từ các tấm vật liệu khác nhau và bắt đầu xếp chúng, theo các chuỗi khác nhau, để xem liệu ông có thể tìm ra bất kỳ kết hợp nào tạo ra điện không. Những thử nghiệm xếp này liên tục đưa ra kết quả âm tính cho đến khi ông thử ghép các đĩa đồng với các đĩa kẽm, trong khi tách các cặp xếp với đĩa giấy ẩm bằng nước biển.

Thứ tự của đồng-kẽm-giấy này tình cờ tạo ra điện, và đầu ra điện là tỷ lệ với độ cao của chồng. Volta nghĩ rằng ông đã khám phá ra bí mật về cách cá điện tạo ra điện và thực sự ông đã tạo ra một phiên bản nhân tạo của cơ quan điện của cá, vì vậy ông ban đầu gọi phát hiện của mình là “cơ quan điện nhân tạo.” Nhưng không phải vậy.

Điều gì làm cho cá điện trở nên đặc sắc

Nhà khoa học hiện nay biết rằng phản ứng điện hóa giữa các vật liệu không giống nhau mà Volta phát hiện không liên quan gì đến cách mà một con cá điện tạo ra điện của mình. Thay vào đó, con cá điện sử dụng một phương pháp tương tự như cách tế bào thần kinh của chúng ta tạo ra tín hiệu điện, nhưng ở quy mô lớn hơn nhiều.

Các tế bào chuyên biệt bên trong cơ quan điện của con cá điện bơi các ion qua một rào cản màng chắn bán thấp để tạo ra sự chênh lệch điện áp giữa bên trong so với bên ngoài của màng. Khi các cổng vi mô trong màng mở ra, dòng ion chảy nhanh từ một bên của màng sang bên kia tạo ra một dòng điện. Cá điện có thể mở đồng thời tất cả cổng màng của nó theo ý muốn để tạo ra một lượng điện lớn, mà nó giải phóng một cách chính xác đối với con mồi của nó.

Cá điện không gây sốc chết cho con mồi; họ chỉ gây choáng điện nó trước khi tấn công. Một con cá điện có thể tạo ra hàng trăm volt điện (ổ cắm trong nhà ở Mỹ là 110 volt), nhưng điện áp của cá không đủ để đẩy đủ dòng (ampe), trong thời gian đủ lâu, để giết chết. Mỗi xung điện từ một con cá điện chỉ kéo dài vài nghìn phần nghìn giây và chỉ cung cấp dưới 1 ampe. Đó chỉ là 5% của dòng ampe trong nhà.

Điều này tương tự như cách hàng rào điện hoạt động, cung cấp xung điện rất ngắn với điện áp cao, nhưng với dòng điện rất thấp. Do đó, chúng gây sốc nhưng không giết chết gấu hoặc các loài động vật xâm nhập khác cố gắng vượt qua chúng. Nó cũng tương tự như một vũ khí điện giật TASER hiện đại, hoạt động bằng cách nhanh chóng cung cấp một xung điện với điện áp cực kỳ cao (khoảng 50,000 volt) mang theo dòng điện rất thấp (chỉ vài miliampe).

Các nỗ lực hiện đại để mô phỏng cá điện

Như Volta, một số nhà khoa học điện hiện đại đang tìm kiếm cách biến đổi công nghệ pin và họ lấy cảm hứng từ con cá điện.

Một nhóm nhà khoa học từ Hoa Kỳ và Thụy Sĩ hiện đang nghiên cứu một loại pin mới lấy cảm hứng từ cá điện. Họ tưởng tượng rằng pin mềm và linh hoạt của họ có thể một ngày nào đó hữu ích để cung cấp năng lượng nội tại cho cấy ghép y tế và robot mềm. Nhưng nhóm này thừa nhận họ còn một đường dài phải đi. “Cơ quan điện trong cá điện cực kỳ tinh tế; chúng tốt hơn nhiều trong việc tạo ra điện so với chúng ta,” Michael Mayer, một thành viên nhóm từ Đại học Fribourg than phiền. Vì vậy, nghiên cứu về cá điện tiếp tục.

Năm 2019, Giải Nobel Hóa học đã được trao cho ba nhà khoa học đã phát triển pin lithium-ion. Khi trao giải, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển khẳng định rằng công việc của các người nhận giải đã “đặt nền móng cho một xã hội không dây, không sử dụng nhiên liệu hóa thạch”.

Phần “không dây” là hoàn toàn đúng, vì pin lithium-ion hiện nay cung cấp năng lượng cho tất cả các thiết bị không dây cầm tay. Chúng ta sẽ phải đợi xem về tuyên bố “xã hội không sử dụng nhiên liệu hóa thạch”, vì pin lithium-ion hiện nay được sạc lại bằng điện thường được tạo ra bằng cách đốt cháy nhiên liệu hóa thạch. Không có đề cập đến đóng góp của cá điện.

[Hơn 150.000 độc giả phụ thuộc vào bản tin của The Conversation để hiểu biết về thế giới. Đăng ký ngay hôm nay.]

Nhưng vào cuối năm đó, các nhà khoa học từ Viện Smithsonian thông báo về phát hiện một loài cá điện mới ở Nam Mỹ; cá này đặc biệt là máy phát điện sinh học mạnh nhất được biết đến trên Trái đất. Các nhà nghiên cứu ghi lại dòng điện của một con cá điện duy nhất ở mức 860 volt, cao hơn nhiều so với loài cá điện giữ kỷ lục trước đó, Electrophorus electricus, đạt 650 volt, và cao gấp 200 lần so với điện áp tối đa của một viên pin lithium-ion đơn (4.2 volt).

Như chúng ta con người cố tự mình tự hào về vĩ đại của nguồn năng lượng di động mới nhất của chúng ta, cá điện tiếp tục khiến chúng ta khiêm nhường với nguồn năng lượng của họ.