Живые генераторы: как электрические рыбы вдохновляют создание новых источников энергии

Как сообщает онлайн-журнал об энергетике «Энергия+», природа наделила отдельных животных со пособностью самостоятельно производить электричество – и этот биологический феномен уже много лет служит источником идей для инженеров и ученых, работающих над инновационными технологиями.

Как в теле рыбы рождается электрический разряд  

Секрет электрических ударов кроется в специальных органах, построенных из видоизмененных мышечных клеток – электроцитов. Каждая такая клетка похожа на тонкую пластинку. Тысячи пластинок выстроены в длинные цепочки, словно батареи, соединенные последовательно. К каждой из них подходит нервное волокно, которое в нужный момент одновременно подает команду всем клеткам: «Заряжай!».

Рыбы используют этот механизм в двух главных целях: для защиты от хищников и для поиска добычи в мутной воде.

Процесс генерации тока в электроците выглядит так. Нервный импульс открывает ионные каналы. Сначала внутрь клетки устремляются ионы калия (K⁺), а затем из нее активно выталкиваются ионы натрия (Na⁺). В результате на одной стороне клетки возникает отрицательный заряд, на другой – положительный. Разность потенциалов на одной клетке мала – всего 0,05–0,15 В. Но когда тысячи таких элементов соединены в цепь, напряжение суммируется до сотен вольт.

У электрического угря электроциты занимают до 80 % длины тела, а взрослая особь может достигать 2,5 метров. Поэтому суммарное напряжение у некоторых видов легко преодолевает 600–800 В.

Разнообразие природных «электростанций»  

Не все электрические рыбы устроены одинаково. Электрические скаты и угри используют похожие стопки электроцитов. У электрических сомов генератор – тонкий слой под кожей. Мормировые рыбы создают ток с помощью нитевидных образований. А у североамериканского звездочета электрические органы спрятаны в области глаз.

Рекордсмены и реальная мощность удара  

В 2019 году был описан новый вид – Electrophorusvoltai, способный выдавать разряд до 860 вольт. Это абсолютный рекорд среди биоэлектрических генераторов в природе.

Мощность удара рассчитывается как произведение напряжения на силу тока. У крупного угря ток может достигать 1 А, но чаще составляет 0,3–0,5 А. Максимальная мощность рекордсмена оценивается примерно в 860 В × 0,4 А = 344 Вт в импульсе. Для сравнения: типичный электрошокер для самообороны выдает около 10–15 Вт.

Однако в воде энергия быстро рассеивается, поэтому даже мощный разряд обычно оглушает лишь небольшую рыбу или заставляет отступить крокодила. Для навигации и поиска пищи угри используют слабые импульсы всего в 2–10 В – этого достаточно для электролокации.

От природы к технологиям: что уже удалось скопировать  

Электрические органы угрей еще в XIX веке вдохновили Алессандро Вольта на создание первой химической батареи – вольтова столба.

Современные исследования идут дальше. 

В 2016 году китайские ученые разработали гибкие волокна-суперконденсаторы, имитирующие принцип «все свое ношу с собой». Материал можно встраивать в ткань одежды. В опытах такие волокна успешно питали электронные часы на браслете и заставляли светиться элементы на футболке.

В 2017 году другая команда представила прототип батареи для имплантируемых медицинских устройств. Конструкция использует градиент солености (соленая и пресная вода), гидрогель, 3D-печать и специальные мембраны. Главное преимущество – устройство может вырабатывать ток автономно, без внешней подзарядки.

Ученые продолжают внимательно изучать живые генераторы. Пока созданные по их образу и подобию элементы остаются скорее демонстрацией возможностей, чем решением масштабных энергетических задач. Природа совершенствовала свои технологии миллионы лет – человечеству еще предстоит пройти этот путь.