پژوهشگران ایرانی و آمریکایی با یک رویکرد خلاقانه، راهی نوین برای استفاده از ضایعات کشاورزی یافته‌اند. آن‌ها پوست دورریز میوه “دارابی” یا “پومیلو”، یکی از بزرگترین اعضای خانواده مرکبات که به وفور در آسیا کشت می‌شود، را به یک فناوری خودشارژ تبدیل کرده‌اند که قادر به تولید الکتریسیته است.
دارابی که به خاطر پوست ضخیم و اسفنجی‌اش شناخته می‌شود، معمولاً پس از مصرف، پوست آن به عنوان زباله دور ریخته می‌شود. اما اکنون، محققان دانشگاه ایلینوی با توسعه روش‌هایی مبتنی بر استفاده مجدد از این “زیست توده”، ابزارهایی را طراحی کرده‌اند که می‌توانند انرژی مورد نیاز دستگاه‌های الکترونیکی کوچک و همچنین رصد حرکات “زیست‌مکانیکی” بدن را تامین کنند. “زیست‌مکانیک” به کاربرد اصول علم مکانیک در سیستم‌های بیولوژیکی اطلاق می‌شود و “زیست توده” به هر نوع ماده آلی با منشاء زیستی گفته می‌شود.
یی-چنگ وانگ، استادیار گروه علوم غذایی و تغذیه انسانی دانشگاه ایلینوی و نویسنده اصلی این تحقیق، در این باره توضیح داد: «پوست دارابی از دو لایه اصلی تشکیل شده است؛ یک لایه بیرونی نازک و رنگی و یک لایه داخلی ضخیم و سفید که بافتی نرم و اسفنجی دارد. در حالی که پیش از این از پوست این میوه برای استخراج روغن‌های ضروری استفاده می‌شد، هدف ما بهره‌گیری از ساختار متخلخل و اسفنجی طبیعی آن بود. تبدیل این ضایعات به محصولات با ارزش افزوده نه تنها به کاهش حجم زباله‌های کشاورزی کمک می‌کند، بلکه ارزش مواد غذایی و پسماندهای کشاورزی را نیز ارتقا می‌بخشد.»
در این پژوهش، دانشمندان پس از جداسازی پوست میوه دارابی و حذف لایه بیرونی آن، لایه ضخیم داخلی را به قطعات کوچکتر برش داده و برای حفظ ساختار سه‌بعدی پرمنفذ آن، فرآیند خشک کردن انجمادی را بر روی آن اعمال کردند. سپس، نمونه‌های حاصل در شرایط رطوبتی مختلف نگهداری شدند تا خواص آن‌ها به دقت مورد بررسی قرار گیرد.
با استفاده از ترکیب شیمیایی و ویژگی‌های مکانیکی منحصر به فرد پوست دارابی، تیم تحقیقاتی موفق به طراحی یک فناوری کارآمد شد که قادر است انرژی مکانیکی را به الکتریسیته تبدیل کند. این فناوری همچنین به عنوان حسگرهای حرکتی خودشارژ عمل می‌کند و نیاز به منبع تغذیه خارجی را از بین می‌برد.
وانگ در تشریح مکانیسم عملکرد این فناوری گفت: «اساس کار این ابزار، پدیده “الکتریسیته تماسی” یا “تریبوالکتریک” است. شاید این اصطلاح پیچیده به نظر برسد، اما در واقع یک پدیده بسیار رایج است که ما روزانه با آن مواجه می‌شویم؛ برای مثال، احساس جرقه هنگام لمس دستگیره در پس از راه رفتن روی فرش. “تریبو” در لغت به معنای مالش یا تماس است. هنگامی که دو ماده با یکدیگر تماس پیدا می‌کنند، انتقال بار الکتریکی بین آن‌ها می‌تواند منجر به ایجاد الکتریسیته ساکن شود. هدف ما در این پژوهش، بررسی امکان جمع‌آوری و استفاده از این الکتریسیته بود.»
محققان در ساخت این دستگاه، از زیست توده پوست دارابی و یک نوار پلاستیکی به عنوان دو لایه “تریبوالکتریک” استفاده کردند که در اثر نیروی خارجی با یکدیگر تماس پیدا می‌کنند. آن‌ها یک الکترود فویل مسی را به هر یک از این لایه‌ها متصل کرده و میزان تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریسیته را ارزیابی کردند.
نتایج آزمایش‌ها نشان داد که با یک ضربه ساده انگشت به این سیستم، می‌توان انرژی کافی برای روشن کردن حدود 20 دیود نورگسیل (LED) تولید کرد. علاوه بر این، محققان نشان دادند که یک ماشین حساب یا ساعت ورزشی را می‌توان تنها با همین نیروهای مکانیکی و بدون نیاز به منبع تغذیه خارجی شارژ کرد.
وانگ با اشاره به پتانسیل بالای این فناوری در تبدیل انرژی هدررفته به برق مفید، توضیح داد: «به لطف ساختار متخلخل طبیعی پوست دارابی، دستگاه‌های تریبوالکتریک مبتنی بر آن، حساسیت بسیار بالایی به میزان و فرکانس نیروی وارد شده دارند. این ویژگی ما را بر آن داشت تا حسگرهایی را توسعه دهیم که می‌توانند به بدن انسان متصل شده و برای نظارت بر حرکات زیست‌مکانیکی مورد استفاده قرار گیرند.»
حسگرهای تولید شده در این پژوهش، هنگامی که به قسمت‌های مختلف بدن متصل شدند، قادر به رصد دقیق حرکات زیست‌مکانیکی مانند حرکات مفاصل و الگوهای راه رفتن بودند. این قابلیت به دلیل آن است که حرکات مختلف بدن منجر به تولید الکتریسیته تماسی با الگوهای سیگنال الکتریکی متمایز می‌شود. این دستاورد، پتانسیل عظیمی برای ارائه اطلاعات ارزشمند به متخصصان حوزه بهداشت و توانبخشی فیزیکی فراهم می‌کند.
وانگ در پایان خاطرنشان کرد: «این پژوهش، فرصت‌های امیدوارکننده‌ای را برای تبدیل ضایعات مواد غذایی به دستگاه‌ها و مواد با ارزش ایجاد می‌کند. این رویکرد، با جایگزینی یا تکمیل مواد غیرقابل تجدید و کاهش حجم زباله‌ها، می‌تواند نقش مهمی در پایداری بلندمدت منابع ایفا کند. ما همچنان به بررسی فرصت‌های بیشتر برای بازیافت مواد غذایی و ضایعات کشاورزی ادامه خواهیم داد.»
محققان دانشگاه ایلینوی، یک حق ثبت اختراع موقت برای “دستگاه‌های تریبوالکتریک” مبتنی بر پوست میوه دارابی به ثبت رسانده‌اند که می‌تواند گامی مهم در جهت توسعه فناوری‌های پایدار و استفاده بهینه از منابع باشد.
