土豆发电:有望解决人类未来能源问题

2013-11-20 13:37 来源: PCWORLD中国
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  对于土豆,不同人可能都有各自喜欢的烹调方法,但哈伊姆·拉宾诺维茨(Haim Rabinowitch)则想得更远。在过去几年,拉宾诺维茨及其同事一直在推动“土豆电源”的构想,试图用此来使人们放弃使用电网的能源。他们声称,利用简单廉价的金属片、电线和LED灯泡,就可以为世界各地偏远的小镇和村庄提供照明。

  他们发现了一种能让土豆发电的简单,却又十分聪明的方法。来自耶路撒冷希伯来大学的拉宾诺维茨说:“一颗土豆就足够为一个房间的LED灯泡提供40 天的电能。”这种说法看似夸张,但其实有着合理的科学依据。不过,拉宾诺维茨及其团队已经发现,真正将土豆发电应用到现实生活中远比初看起来复杂得多。

  在拉宾诺维茨及其团队发现土豆能产生超乎寻常的电能之时,高中的物理课程上还在教授着电池工作的机理。将有机材料制成电池,你只需要两块金属,一块作为阳极,是电势低的电极,如锌;另一块作为阴极,是带正电荷的电极,如金属铜。土豆内部的酸性物质会与锌和同发生化学反应,当电子从一端流向另一端时,电能就释放了。

  1780年,路易吉·伽伐尼(LuigiGalvani)发现了这一机制,他将两片金属连接到青蛙的腿上,导致青蛙的肌肉抽搐。这种“动物电”也可以在动物体外被复制,你可以在两块金属极之间放上许多其他物质,获得同样的效果。与路易吉·伽伐尼同时代的亚历山德罗·伏打 (AlexanderVolta)用的是浸盐水的纸。还有人曾制作出“泥土电池”,利用两个金属片和一堆土,或许还得加上一桶水。

  超级土豆

  在高中科学课堂上,土豆常常被用来教授这些基本的原理。然而,使拉宾诺维茨感到意外的是,还没有人试过将土豆作为能量来源进行科学的研究。因此,2010年,他决定尝试一下,与他合作的是博士生亚历克斯·哥德堡(AlexGoldberg),以及来自加州大学伯克利分校的博里斯·鲁宾斯基 (BorisRubinsky)。

  “我们查看了20种不同的土豆,”哥德堡解释道,“而且查看了它们的内部电阻,这使我们能够了解发热时会损失多少能量。”他们发现,简单地煮上八分钟,土豆内部的有机组织就会分解,使电阻降低,电子流动更加自由,从而产生更多的电能。他们还将土豆切成了4到5片,中间夹着锌片和铜片。哥德堡说:“我们发现这能使电能输出提高到10倍,这使其出奇地经济实用,因为成本降低了。”

  “这是种低电压能,”拉宾诺维茨说,“但已经足够打造一块能给手机或笔记本充电的电池,特别是在那些没有电网覆盖,没有电能连接的地方。”他们的成本分析显示,一块土豆电池(一个煮过的土豆加上锌、铜电极组成)所产生的便携式电能成本为每千瓦时9美元,这比常见的1.5伏AA碱性电池或干电池便宜 50倍,后者每千瓦时需要49到84美元。与发展中国家使用的煤油灯相比,土豆电池的成本也便宜了差不多6倍。

  于是,我们就有了这样的疑问:为什么土豆电池还没有出现巨大的成功呢?

  2010年,全世界共收获了惊人的324181889吨土豆。作为世界上最重要的非谷物粮食,土豆是131个国家中最重要的淀粉来源。土豆很便宜,易于存储,而且能保存很长时间。目前世界上有12亿人还无法享受电力带来的便利生活,一颗小小的土豆或许就是解决这一问题的答案——至少研究者是这么想的。“我们认为一些组织可能会感兴趣,”拉宾诺维茨说,“我们觉得,印度的政治家们可以在土豆上印上名字再分发出去,这些土豆电池的成本还不到1美元。”

  然而,他们的实验已经过去了3年,为什么还没有政府、公司或其他组织认可土豆电池呢?拉宾诺维茨说:“答案很简单:他们根本就不了解。”不过,事实也许比这复杂得多。

  首先,利用食物作为能源就是一大争议。联合国粮食和农业组织(FAO)负责自然资源的高级官员奥利维尔·杜波依斯(OlivierDubois)说,利用粮食作为能源——如用甘蔗生产生物燃料——必须避免削减食物储备,以及与农民竞争。

  “你首先要看到:有没有足够用来吃的土豆?然后,我们在贩卖土豆获利的时候有没有与农民发生竞争?”他解释道,“因此,如果食用的土豆够了,商用的土豆够了,还有一些土豆剩下来,那好,这个主意就可以实现。”

  在像肯尼亚这样的国家,土豆是仅次于玉蜀黍的第二大粮食作物。今年该国的农户共收获了差不多1000万吨土豆,但有约10%到20%由于缺乏通向市场的渠道,或者较差的存储条件及其他问题而损失掉。这些没能进入市场的土豆很适合用于制成土豆电池。

  绝佳的应用例子

  另一个例子是,在斯里兰卡,当地能获得的土豆既少又贵。因此凯拉尼亚大学的一个团队决定利用另一种原料来进行类似实验,这种材料就是在斯里兰卡常见的芭蕉。物理学家贾亚苏里亚(KDJayasuriya)及其同事发现,“煮”的技术同样可以用在芭蕉茎上,而最好的发电效果是在煮熟之后,再切碎这些芭蕉茎。通过这一方法,他们现在能够使一盏LED灯点亮超过500小时。贾亚苏里亚说:“我认为土豆产生的电流稍微稳定一些,但芭蕉的茎是免费的,是我们丢弃的东西。”

  也有一些人对土豆能源的可行性有所怀疑。“实际上,土豆电池就像你在商店里买的其他常规电池一样,”美国马萨诸塞大学的德雷克·洛夫利 (DerekLovley)说,“它只是用了不同的介质而已。”从原理上说,土豆并非电能的来源,实际上这些电视来自锌的腐蚀。洛夫利说:“它是有耗损的,金属随着时间推移会被腐蚀。”这就意味着你必须在一段时间后更换锌——当然还有土豆,或者芭蕉茎。

  当然,在许多发展中国家中锌还是很便宜的,而且贾亚苏里亚认为,这种电池比起煤油灯来更加节省成本。一根锌电极可以使用大约5个月的时间,成本相当于1升煤油,而这些煤油只能供普通的斯里兰卡家庭使用两天。另一方面,你也可以使用其他电极,如镁或铁。

  不过,倡导土豆电池的人还需要克服另一个问题:消费者对土豆的感觉。相对于其他现代技术,如太阳能等,土豆作为能量来源看起来并不十分吸引人。 OneDegreeSolar是一家在肯尼亚销售微型太阳能家庭系统的公司,其创立者GauravManchanda说,人们购买他们的产品时,考虑的不仅仅是成本和价格。他解释道:“他们需要看到这里面的价值,不仅是产品的展示,还有性能。”而且,基本上,有些人也不想向他的邻居显摆一个土豆电池。

  当然,我们不能否认土豆电池的构想是可行的,而且成本相当低廉,但要真正投入到现实生活中,还需要相当长一段过程。