Elektrik edinmek için genelde cihazınızı fişe takmak, içine pil yerleştirmek, ya da güneş paneline bağlamak gerekiyor.
Peki onları vücudunuza bağlayıp şarj etmeye ne dersiniz?
Kulağa hayal ürünü gibi gelse de Fransa’nın Grenoble kentindeki Joseph Fourier Üniversitesi’nden Dr. Serge Cosnier ve ekibi bunun yapılmasını sağlayacak bir cihaz geliştirdi.
Biyoyakıt hücresi adı verilen cihaz, vücutta bulunan glikoz ve oksijeni kullanarak elektrik üretiyor.
Onlar bu fikri canlı bir hayvanda uygulamaya koyabilen ilk ekip.
Her şey umdukları gibi giderse, 10-20 yıl içinde biyoyakıt hücrelerinin alıcı ve ilaç iletici gibi tıbbi cihazlardan, yapay organlara pek çok şeyi çalıştırır hale gelebileceği düşünülüyor.
Gofret ve gazozla cihaz çalıştırmak
Bu durumda, bedeninizdeki cihazı çalıştırmak için yapmanız gereken tek şey gofret yemek ya da bir gazoz içmek olacak.
Biyoyakıt hücreleri yapay organ ve uzuvların işletilmesi açısından bir devrim yaratmaya aday.
Halihazırda, laboratuvarlarda kalpten böbreğe, ellerden gözlere, yepyeni elektrikli yapay organ ve uzuvlardan oluşan bir seri geliştirilme aşamasında. Ama hepsinin zayıf noktası, işlemeleri için elektrik gerekmesi.
Fazla enerji gerektirmeyen küçük cihazlar için özel piller çözüm sağlıyor, ancak bunların ömrü sınırlı ve kapasiteleri daha büyük organlar için son derece yetersiz kalıyor.
Örneğin kalp pili gibi (pacemaker), kalp atışını düzenleyen ve bunun için fazla enerjiye ihtiyaç duymayan cihazların bile genellikle 5 yılda bir değişmesi gerekiyor.
ABD’deki bir araştırma, kalp pili takılan 70 yaşındaki her beş hastadan birinin 20 yıl daha yaşayabildiğini gösteriyor. Ancak bu, ilk ameliyattan sonra cihazdaki pili değiştirmek için 3 ameliyat daha gerekeceğini gösteriyor.
Her ameliyat ise beraberinde bir çok cerrahi risk getiriyor; bu nedenle kimse bunu yaptırmaya pek istekli değil.
Yapay böbrek, kol bacak, ya da göz gibi cihazlar ise, o kadar yüksek miktarda enerji gerektiriyor ki var olan cinsten pillerin bir kaç haftada bir değiştirilmesi anlamına geliyor.
Bu nedenle eldeki pilleri kullanmak çözüm değil.
Biyoyakıt hücreleri işte buna çözüm sağlıyor.
Dr. Cosnier ve ekibi, mesailerini bu engeli aşmaya odaklayan çok sayıda araştırmacıya örnek teşkil ediyor.
Enerji kaynağı vücut sıvıları
Yakıt hücreleri enzimlerle karbondan nanoborucukların sıkıştırılması ile oluşturuluyor.
Aslında sistem son derece basit bir düşünceye dayanıyor. İçlerinde iki özel elektrot var. Bunlardan biri glikozdan elektron elde ediyor, diğeri ise elektronları oksijen ve hidrojen moleküllerine vererek su üretiyor.
Bu elektrotlar glikoz ve oksijen içeren bir çözeltiye batırılıp bir devre oluşturacak şekilde bağlandıklarında, birinden ötekine elektron akışı sağlanmış oluyor; yani elektrik akımı oluşuyor.
Glikoz ve oksijen insan vücudunda bolca bulunduğundan, teoride, biyoyakıt hücreleri ömür boyu çalışabilir.
Dr Cosnier, “Pil içine depolanan enerjiyi kullanır, tükenince, tükenmiş demektir. Bir biyoyakıt hücresi ise teoride hiç bir sınıra sahip değil. Çünkü tükettiği maddeler vücutta bulunuyor ve sürekli ikmal ediliyor.” diyor.
Yakıt hücrelerini vücutta bulunan glikoz ve oksijen ile işletme fikri ilk olarak 1970’lerde ortaya atıldı. Ancak ilk prototiplerin elde ettiği enerji miktarı, gerekenin çok altında kaldığından bu fikir rafa kaldırıldı.
Ancak 2002 yılında Kudüs’teki İbrani Üniversitesi’nden Itamar Willner’in başını çektiği bazı araştırmalar, biyoteknolojide ilerleme kaydedilmesine ve bu fikrin yeniden gündeme gelmesine yol açtı.
Saygın bilim dergisi Science’ta yer alan bir makalede, Willner biyoteknolojide sağlanan ilerlemeler sayesinde, yapay uzuv ve organların vücut sıvılarından enerji üretecek yakıt hücreleri ile çalıştırılabileceğini anlattı.
Son dönemdeki ilerlemelerin temelinde, enzim olarak adlandırılan biyolojik moleküllerin daha iyi anlaşılabilmesi yatıyor.
Doğal moleküller olan enzimler, kimyasal tepkimeleri hızlandırıyor. Biyoyakıt hücresinin peşindeki uzmanlar da, glikoz oksitleyicisi adlı bir enzimin glikozdaki elektronları ayırmakta çok etkili olduğunu belirledi.
Bir yanda enzimlerin yönlendirilmesinin yollarının bulunması, bir yandan çok verimli elektrik iletkenleri olan karbon nanoborucuklarının kolayca elde edilir hale gelmesi ile dünyanın pek çok yerinde bilim ekipleri elektrik üretebilecek biyoyakıt hücreleri geliştirdi.
Dr. Cosnier ve ekibi ise işleri bir adım ileri götürdü.
Son on yıldaki araştırmaların tüm verilerini bir araya toplayıp bir pirinç tanesi büyüklüğünde bir yakıt hücresi yaparak, bunu bir farenin bedenine yerleştirdiler.
2010 yılında yakıt hücrelerini farede 40 gün boyunca denediler. Hazırladıkları rapora göre, hücre sorunsuz çalışırken, istikrarlı bir elektrik akımı oluşturdu, ancak farenin davranışlarında ve psikolojisinde gözle görülür bir yan etki oluşturmadı.
Geliştirdikleri sistemde, ilk elektrot için karbon nanoborucuklardan oluşan bir macun glikoz oksitleyici ile karıştırılıp sıkıştırılıyor. İkinci elektrot içinse glikoz ile polifenol oksitleyici karıştırılıyor.
Bu iki elektrot platin bir telle birbirine bağlanıyor.
Ayrıca elektrotlar, nanoborucuk ve enzimlerin vücuda karışmaması için özel bir maddeyle sarılıyor.
Son aşamada sistemin bütünü bir paket halinde, onu vücudun bağışıklık sisteminden koruyacak ama glikoz ve oksijen geçişini engellemeyecek bir örgü ile sarılıyor.
Bu şekilde, bir canlıya yerleştirilebiliyor.
Prof. Willner “Bu temel araştırmaların pratik bir gerece nasıl dönüştürüldüğünü göstermede önemli bir adım” dedi: “Nakledilebilecek böyle bir paket hazırlamanın fizibilitesi olduğunu gösteriyor”.
Dr. Cosnier de fareye cihazı yerleştirmenin işlemin mantığını kanıtlamak için iyi sonuç verdiğini, ancak dezavantajları da olduğunu söylüyor.
Cosnier’e göre, “Fareler o kadar küçük ki, üretilen enerji, bildik büyüklükte bir cihazı çalıştırmak için yetersiz kalıyor.”
Ekibin bir sonraki hedefi, ölçüleri büyütüp, yakıt paketçiğini bir ineğe yerleştirmek: “Daha fazla alan var, dolayısıyla daha büyük bir yakıt hücresi yerleştirip daha büyük bir akım yaratabiliriz” diyorlar.
Dr. Cosnier bu deneyin cihaz ile ilgili bilgi aktarabilecek bir verici ve denetim sensörlerini çalıştırmasına yeteceğini umuyor.
Hedef daha fazla güç
Hâlâ yapılacak çok şey var. Prof. Willner glikoz oksitleyicilerin çok verimli çalışmasına rağmen, elektron verecek enzimlerin de veriminin artırılabileceğini düşünüyor. Bunun için gerekli adımların atılacağı konusunda iyimser.
Prof. Willner, “Halihazırdaki ilerleme hızına baktığımda, önümüzdeki 10 yılda heyecan verici gelişmeler göreceğimize inanıyorum.” diyor.
Dr. Cosnier de sistemin daha pek çok yönden iyileştirilebileceğini söylüyor: “Bugün yapay bir mesane kası ya da kalp pili için yeterli olacak düzeyde enerji üretebiliyoruz. Ancak şimdiden bunun 50 katı fazla enerji üretecek bir sistem üzerinde çalışıyoruz. Bu şekilde çok daha karmaşık cihazlara yetecek enerji sağlayabileceğiz.” diye konuşuyor.
Biyoyakıt hücrelerinin ufku, tıbbi cihazlarla sınırlı değil. Elektronik devi Sony, yakın zamanda bir MP3 çaları glikoz ve suyla çalıştırabilecek bir yakıt hücresi yaptığını duyurdu.
Prof. Willner, “10 yıl içinde diz üstü bilgisayarlar ve cep telefonlarında da biyoyakıt hücreleri görebilirsiniz” öngörüsünde bulunuyor.
Dr. Cosnier de bu gibi devrelerin özellikle pilleri şarj etme olanağı bulunmayan, elektriksiz ortamlarda işe yarayabileceğini kaydediyor.
“Elektrik olmayan bir yerdeyseniz ve yakıt hücrenizi şarj etmek istiyorsanız, yapmanız gereken tek şey su ve şeker eklemek olacak” diyor.
David Cohen
BBC Teknoloji Muhabiri
