Дослідники з ETH Zurich дослідили здатність людського тіла виробляти електроенергію, щоб показати, як розміщення паливного елемента під шкірою може перетворювати рівень цукру в крові в енергію. Дослідницька група під керівництвом Мартіна Фуссенеггера, опублікована в Advanced Materials, показує, що наш надлишок цукру в крові може навіть живити медичні пристрої, такі як інсулінові помпи та, потенційно, кардіостимулятори.

«Багато людей, особливо в західних індустріально розвинутих країнах, споживають більше вуглеводів, ніж їм потрібно в повсякденному житті», — каже Фуссенгер у прес-релізі. «Це дало нам ідею використовувати цю надлишкову метаболічну енергію для виробництва електроенергії для живлення біомедичних пристроїв».

Новий паливний елемент команди базується на електроді, виготовленому з наночастинок на основі міді, розробленому спеціально для цього застосування на кафедрі біосистемної науки та інженерії ETH Zurich у Базелі. Він загорнутий у спеціальний нетканий матеріал і покритий речовиною під назвою альгінат, яка виготовляється з водоростей і часто використовується в медицині.

Цей паливний елемент у тканинної оболонки потім можна імплантувати під шкіру, де альгінат може виконувати подвійні завдання: поглинати рідини організму та відкривати двері для проникнення глюкози в паливний елемент. І як тільки він там, його можна під’єднати до капсули, що містить штучні бета-клітини — створені людиною міміки клітин, які виробляють інсулін у нашому тілі.

Частина паливних елементів цього дуету живиться глюкозою, яка поглинається, розділяється клітиною на частини для виробництва електроенергії. Ця електрика потім переходить до капсули зі штучними бета-клітинами, де спонукає їх виробляти та вивільняти інсулін у кров. Тоді система здатна повернути рівень цукру в крові людини до нормального рівня та вимкнути вироблення інсуліну, доки не буде виявлено новий сплеск цукру в крові.

«Нова система, — каже Фуссенеггер, — автономно регулює рівень інсуліну та глюкози в крові та може використовуватися для лікування діабету в майбутньому».

Команда каже, що в організмі виробляється достатньо електроенергії, щоб не тільки живити ці штучні бета-клітини, але й дозволити всій системі потенційно спілкуватися із зовнішніми пристроями. Це дозволить користувачам регулювати свою інсулінову помпу, що працює від організму, прямо зі своїх телефонів.

Продукт успішно випробували на мишах, але Фуссенеггер каже, що його команда не має фінансів, щоб довести цю ідею до комерційно життєздатного рівня. Сподіваюся, скоро вони знайдуть партнера.

Дослідники Каліфорнійського університету в Ріверсайді виявили, що метан не тільки затримує тепло в атмосфері, але й створює охолоджуючі хмари, які компенсують 30% тепла. Поглинання метаном короткохвильової енергії викликає охолоджуючий ефект і пригнічує збільшення кількості опадів на 60%. Цей висновок підкреслює необхідність включення всіх відомих ефектів парникових газів у кліматичні моделі.

Більшість кліматичних моделей ще не враховують нове відкриття Каліфорнійського університету в Ріверсайді: метан затримує велику кількість тепла в атмосфері Землі, але також створює охолоджуючі хмари, які компенсують 30% тепла.  Парникові гази, такі як метан, створюють своєрідну ковдру в атмосфері, затримуючи тепло від поверхні Землі, яке називається довгохвильовою енергією, і запобігаючи його випромінюванню в космос. Це робить планету гарячішою. 

«Ковдра не створює тепла, якщо вона не електрична. Ви відчуваєте тепло, тому що ковдра перешкоджає здатності вашого тіла посилати тепло в повітря. Це та сама концепція», – пояснив Роберт Аллен, доцент кафедри наук про Землю UCR.

Крім поглинання довгохвильової енергії, метан також поглинає вхідну енергію від сонця, відому як короткохвильова. «Це має нагріти планету», — сказав Аллен, який керував дослідницьким проектом. «Але, навпаки, короткохвильове поглинання сприяє змінам у хмарах, які мають легкий охолоджуючий ефект».

Середньорічна реакція приземної температури повітря на метан, розкладена на (a) довгохвильові та короткохвильові ефекти; (b) тільки довгохвильові ефекти; та (c) тільки короткохвильові ефекти. Авторство зображення: Роберт Аллен/UCR

Цей ефект детально описано в журналі Nature Geoscience разом із другим відкриттям, якого дослідницька група не цілком очікувала. Хоча метан зазвичай збільшує кількість опадів, враховуючи поглинання короткохвильової енергії, воно пригнічує збільшення на 60%. Обидва типи енергії — довгохвильова (від Землі) і короткохвильова (від Сонця) — більше виходять з атмосфери, ніж поглинаються нею. Атмосфера потребує компенсації втраченої енергії, яку вона отримує від тепла, утвореного під час конденсації водяної пари в дощ, сніг, мокрий сніг або град.

«По суті, опади діють як джерело тепла, гарантуючи, що атмосфера підтримує енергетичний баланс», — сказав співавтор дослідження Раян Крамер, науковий співробітник Центру космічних польотів NASA Goddard Space Flight Center та Університету Меріленда, округ Балтімор.

Метан змінює це рівняння. Утримуючи енергію сонця, метан вносить тепло, яке більше не потрібно отримувати атмосфері від опадів. Крім того, короткохвильове поглинання метану зменшує кількість сонячного випромінювання, що досягає поверхні Землі. Це, своєю чергою, зменшує кількість води, яка випаровується. Як правило, кількість опадів і випаровування рівні, тому зменшення випаровування призводить до зменшення кількості опадів.

«Це має наслідки для більш детального розуміння того, як метан і, можливо, інші парникові гази можуть впливати на кліматичну систему», — сказав Аллен. «Короткохвильове поглинання пом’якшує загальне потепління та ефект посилення дощу, але зовсім не усуває їх».

Дослідницька група виявила ці висновки, створивши детальні комп’ютерні моделі, що моделюють як довгохвильовий, так і короткохвильовий вплив метану. У майбутньому вони хотіли б провести додаткові експерименти, щоб дізнатися, як різні концентрації метану впливатимуть на клімат. Науковий інтерес до метану зріс в останні роки, оскільки зросли рівні викидів. Значна частина надходить із промислових джерел, а також із сільськогосподарської діяльності та звалищ. Викиди метану також, ймовірно, зростуть, оскільки мерзла земля під Арктикою почне танути.

«Це стало серйозним занепокоєнням», — сказав Сюейін Чжао, доктор наук про Землю та планети UCR. студент і співавтор дослідження. «Нам потрібно краще зрозуміти наслідки цього метану, включивши всі відомі наслідки в наші кліматичні моделі».

Крамер повторює необхідність подальшого вивчення. «Ми добре вміємо вимірювати концентрацію парникових газів, таких як метан, в атмосфері. Тепер мета полягає в тому, щоб сказати з якомога більшою впевненістю, що ці цифри означають для нас. Така робота веде нас до цієї мети», — сказав він.