[圖文]超級土豆發電 | 陽光歷史

 

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[圖文]超級土豆發電

2015年07月12日 科學探秘-長篇 暫無評論 閱讀 75 次


對於土豆,不同人可能都有各自喜歡的烹調方法,但哈伊姆·拉賓諾維茨(Haim Rabinowitch)則想得更遠。在過去幾年,拉賓諾維茨及其同事一直在推動「土豆電源」的構想,試圖用此來使人們放棄使用電網的能源。他們聲稱,利用簡單廉價的金屬片、電線和LED燈泡,就可以為世界各地偏遠的小鎮和村莊提供照明。

  他們發現了一種能讓土豆發電的簡單,卻又十分聰明的方法。來自耶路撒冷希伯來大學的拉賓諾維茨說:「一顆土豆就足夠為一個房間的LED燈泡提供40天的電能。」這種說法看似誇張,但其實有著合理的科學依據。不過,拉賓諾維茨及其團隊已經發現,真正將土豆發電應用到現實生活中遠比初看起來複雜得多。

  在拉賓諾維茨及其團隊發現土豆能產生超乎尋常的電能之時,高中的物理課程上還在教授著電池工作的機理。將有機材料製成電池,你只需要兩塊金屬,一塊作為陽極,是電勢低的電極,如鋅;另一塊作為陰極,是帶正電荷的電極,如金屬銅。土豆內部的酸性物質會與鋅和同發生化學反應,當電子從一端流向另一端時,電能就釋放了。

  1780年,路易吉·伽伐尼(Luigi Galvani)發現了這一機制,他將兩片金屬連接到青蛙的腿上,導致青蛙的肌肉抽搐。這種「動物電」也可以在動物體外被複製,你可以在兩塊金屬極之間放上許多其他物質,獲得同樣的效果。與路易吉·伽伐尼同時代的亞歷山德羅·伏打(Alexander Volta)用的是浸鹽水的紙。還有人曾製作出「泥土電池」,利用兩個金屬片和一堆土,或許還得加上一桶水。

  超級土豆

  在高中科學課堂上,土豆常常被用來教授這些基本的原理。然而,使拉賓諾維茨感到意外的是,還沒有人試過將土豆作為能量來源進行科學的研究。因此,2010年,他決定嘗試一下,與他合作的是博士生亞歷克斯·哥德堡(Alex Goldberg),以及來自加州大學伯克利分校的博裡斯·魯賓斯基(Boris Rubinsky)。

  「我們查看了20種不同的土豆,」哥德堡解釋道,「而且查看了它們的內部電阻,這使我們能夠瞭解發熱時會損失多少能量。」他們發現,簡單地煮上八分鐘,土豆內部的有機組織就會分解,使電阻降低,電子流動更加自由,從而產生更多的電能。他們還將土豆切成了4到5片,中間夾著鋅片和銅片。哥德堡說:「我們發現這能使電能輸出提高到10倍,這使其出奇地經濟實用,因為成本降低了。」

  「這是種低電壓能,」拉賓諾維茨說,「但已經足夠打造一塊能給手機或筆記本充電的電池,特別是在那些沒有電網覆蓋,沒有電能連接的地方。」他們的成本分析顯示,一塊土豆電池(一個煮過的土豆加上鋅、銅電極組成)所產生的便攜式電能成本為每千瓦時9美元,這比常見的1.5伏AA鹼性電池或乾電池便宜50倍,後者每千瓦時需要49到84美元。與發展中國家使用的煤油燈相比,土豆電池的成本也便宜了差不多6倍。

  於是,我們就有了這樣的疑問:為什麼土豆電池還沒有出現巨大的成功呢?

  2010年,全世界共收穫了驚人的324181889噸土豆。作為世界上最重要的非穀物糧食,土豆是131個國家中最重要的澱粉來源。土豆很便宜,易於存儲,而且能保存很長時間。目前世界上有12億人還無法享受電力帶來的便利生活,一顆小小的土豆或許就是解決這一問題的答案——至少研究者是這麼想的。「我們認為一些組織可能會感興趣,」拉賓諾維茨說,「我們覺得,印度的政治家們可以在土豆上印上名字再分發出去,這些土豆電池的成本還不到1美元。」

  然而,他們的實驗已經過去了3年,為什麼還沒有政府、公司或其他組織認可土豆電池呢?拉賓諾維茨說:「答案很簡單:他們根本就不瞭解。」不過,事實也許比這複雜得多。

  首先,利用食物作為能源就是一大爭議。聯合國糧食和農業組織(FAO)負責自然資源的高級官員奧利維爾·杜波依斯(Olivier Dubois)說,利用糧食作為能源——如用甘蔗生產生物燃料——必須避免削減食物儲備,以及與農民競爭。

  「你首先要看到:有沒有足夠用來吃的土豆?然後,我們在販賣土豆獲利的時候有沒有與農民發生競爭?」他解釋道,「因此,如果食用的土豆夠了,商用的土豆夠了,還有一些土豆剩下來,那好,這個主意就可以實現。」

  在像肯尼亞這樣的國家,土豆是僅次於玉蜀黍的第二大糧食作物。今年該國的農戶共收穫了差不多1000萬噸土豆,但有約10%到20%由於缺乏通向市場的渠道,或者較差的存儲條件及其他問題而損失掉。這些沒能進入市場的土豆很適合用於製成土豆電池。

  絕佳的應用例子

  另一個例子是,在斯里蘭卡,當地能獲得的土豆既少又貴。因此凱拉尼亞大學的一個團隊決定利用另一種原料來進行類似實驗,這種材料就是在斯里蘭卡常見的芭蕉。物理學家賈亞蘇裡亞(KD Jayasuriya)及其同事發現,「煮」的技術同樣可以用在芭蕉莖上,而最好的發電效果是在煮熟之後,再切碎這些芭蕉莖。通過這一方法,他們現在能夠使一盞LED燈點亮超過500小時。賈亞蘇裡亞說:「我認為土豆產生的電流稍微穩定一些,但芭蕉的莖是免費的,是我們丟棄的東西。」

  也有一些人對土豆能源的可行性有所懷疑。「實際上,土豆電池就像你在商店裡買的其他常規電池一樣,」美國馬薩諸塞大學的德雷克·洛夫利(Derek Lovley)說,「它只是用了不同的介質而已。」從原理上說,土豆並非電能的來源,實際上這些電視來自鋅的腐蝕。洛夫利說:「它是有耗損的,金屬隨著時間推移會被腐蝕。」這就意味著你必須在一段時間後更換鋅——當然還有土豆,或者芭蕉莖。

  當然,在許多發展中國家中鋅還是很便宜的,而且賈亞蘇裡亞認為,這種電池比起煤油燈來更加節省成本。一根鋅電極可以使用大約5個月的時間,成本相當於1升煤油,而這些煤油只能供普通的斯里蘭卡家庭使用兩天。另一方面,你也可以使用其他電極,如鎂或鐵。

  不過,倡導土豆電池的人還需要克服另一個問題:消費者對土豆的感覺。相對於其他現代技術,如太陽能等,土豆作為能量來源看起來並不十分吸引人。One Degree Solar是一家在肯尼亞銷售微型太陽能家庭系統的公司,其創立者Gaurav Manchanda說,人們購買他們的產品時,考慮的不僅僅是成本和價格。他解釋道:「他們需要看到這裡面的價值,不僅是產品的展示,還有性能。」而且,基本上,有些人也不想向他的鄰居顯擺一個土豆電池。

  當然,我們不能否認土豆電池的構想是可行的,而且成本相當低廉,但要真正投入到現實生活中,還需要相當長一段過程。(


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