Брать в руки оголенные электрические провода нельзя: ударит током. То же самое может случиться, если потрогать некоторых животных, например электрического угря. Как в теле этой рыбы рождается электричество и на какие технологии вдохновила ученых эта особенность, — разбиралась «Энергия+».
Животные бьют током благодаря электрическим органам, состоящим из видоизмененных мышечных клеток — электроцитов. Внешне они напоминают пластинки и соединены между собой последовательно, как маленькие аккуратные таунхаусы в пригороде, расположенные друг за другом вдоль улицы. К каждому электроциту, как интернет-кабель к каждому дому, присоединен нерв. Все нервы синхронно могут передать своим клеткам один-единственный сигнал: «Пришло время накопить заряд».
В момент передачи нервного импульса в электроците-«коттедже» открываются две двери: парадная и задняя. Через парадную в электроцит проникают «караулившие» под дверью ионы калия — носители положительного заряда. Присутствие в «доме» непрошенных гостей не устраивает его жителей (это положительно заряженные ионы натрия) и вынуждает их демонстративно выйти через другую дверь на задний двор. В результате по обе стороны клетки возникают разноименные заряды: отрицательный — из-за перетекания ионов калия внутрь — и положительный — из-за выхода ионов натрия наружу. Натрий и калий попадают в организм электрической рыбы через пищу.
Как между хозяевами дома и непрошенными гостями, между разноименными зарядами по разные стороны электроцита возникает напряжение, только не психологическое, а электрическое. Оно составляет сотые доли вольта, но из-за последовательного соединения тысяч электроцитов напряжение на каждом из них складывается. Электрические клетки занимают около 4/5 тела угря, а вырастают эти рыбы до 2,5 метра: размер генерирующей поверхности может быть больше человеческого роста! Суммарное напряжение, выдаваемое угрем, достигает сотен вольт.
Электрические скаты генерируют ток так же, как и угри. Сомы используют для выработки энергии специальный тонкий слой под кожей, мормировые рыбы — нитевидные образования, а у североамериканского звездочета, который обожает зарываться в песок, электрические органы находятся в подглазничном пространстве.
СИЛА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО УДАРА
В сентябре 2019 года стало известно об угре-рекордсмене, способном генерировать разряд тока в 860 вольт. Имя героя — Electrophorus voltai, и на сегодняшний день он — самый могучий генератор биоэлектричества в природе. Насколько грозное это оружие? Силу электрического удара оценивают по мощности — произведению напряжения на силу тока. Максимальная сила тока 40-сантиметровой рыбы — 40–50 миллиампер. Чем крупнее особь, тем бо́льшим может быть этот показатель. Человек непроизвольно одергивает руку при силе тока от 5 до 10 миллиампер.
Максимальная мощность электрического удара угря: 0,04 ампера х 860 вольт = 34,4 ватта, тогда как мощность электрошокера для самозащиты — 10 ватт. Электричество угря кажется опасным, но есть нюанс: вода снижает воздействие на жертву, и угорь может оглушить лишь мелкую рыбешку, а крокодилов — хорошенько напугать. Молодые и неопытные представители семейства аллигаторовых нередко подвергаются «шоковой терапии», зато навсегда усваивают урок: к рыбам, похожим на змею, лучше не приближаться. Впрочем, своим электрическим даром угри пользуются экономно: для ориентации в пространстве (электролокации), например, они применяют слабое напряжение — всего 10 вольт.
СПАСИБО РЫБАМ ЗА ИДЕЮ
Строение электрических органов угря и биологические принципы получения энергии когда-то легли в основу схемы гальванических элементов — химических источников тока, основанных на взаимодействии двух металлов или их оксидов в электролите (веществе, проводящем электрический ток). Но ученые на этом не остановились и до сих пор ищут способы вдохновиться устройством электрических животных.
В 2016 году китайские исследователи решили воспроизвести свойство электрического угря «все свое носить с собой», то есть иметь при себе генератор электричества, встроенный в тело. Так были созданы эластичные волокна, которые можно вплетать в одежду или использовать в качестве источника питания переносной электроники. Разработка представляет собой подобие конденсаторов, способных высвобождать энергию гораздо быстрее, чем традиционные батареи, хотя емкость их очень мала. Во время исследований ученые создали браслет, самостоятельно питавший электронные часы и светящуюся футболку.
Другая группа инженеров в 2017 году создала элементы питания для медицинских имплантатов. При помощи гидрогеля, 3D-принтера, морской и пресной воды, пластиковых листов и специальных мембран, разделяющих многочисленные ячейки батарейки между собой, они придумали технологию, которая позволила добиться получения электричества без необходимости внешней подзарядки.
Ученые до сих пор внимательно исследуют способности наших меньших собратьев и продолжают превращать их эволюционные преимущества в самостоятельные технологии или дополнение к уже существующим. Но природа тратила на эволюцию миллионы лет, и людям еще не удалось воспроизвести ее шедевры в промышленных масштабах. Пока «живые» батареи — это пример интересной и наукоемкой разработки, которая не решает главные задачи энергетики.
Оригинал статьи и другие материалы об энергетике читайте на сайте журнала «Энергия+».