1. БІОЛОГІЧНИЙ ЕЛЕКТРОПРИВІД
Протягом останніх 10 - 15 років був розкритий механізм, за допомогою якого одноклітинні бактерії переміщуються в середовищі існування [1, 2]. Виявилося, що переміщення здійснюється рушієм, що нагадує гвинт або весло, який приводиться в обертання електричним двигуном. Двигун створює момент 40 пН? Нм=4? 10 - 20 Н? М, частота обертання (2 жовтня с - 1, відповідно потужність - 4? 10 - 18 Вт. Об'єм двигуна має порядок 10 - 24 м 3. Звідси випливає, що питома (на одиницю об'єму) потужність має порядок 1 МВт / м 3. Для порівняння питома на одиницю об'єму потужність сучасних електричних машин має порядок 10 кВт / м 3, тобто в 100 разів менший. Питомі на одиницю маси потужності - 1 кВт/кг двигуна бактерії і 1 Вт / кг сучасної електричної машини, тобто в 1000 разів менше. ККД електродвигуна бактерії практично 100%.
Очевидні переваги, які дасть привід з такими характеристиками для макрооб'єктів.
Принцип електромеханічного перетворення енергії представлений на рис.1.
«Біологічний електропривод» містить мембрану з каналами, діаметри яких дорівнюють або дещо більше діаметра іона. На зовнішньої і внутрішньої (по відношенню до клітки, яку охоплює мембрана) поверхнях мембрани зосереджені іони калію, натрію, водню, хлору в різній концентрації, так що має місце різниця потенціалів U. Ця мембрана є «статором» приводу. «Ротором» є білкова молекула, виступи якої розташовані в каналах.
Під дією різниці потенціалів іони без тертя переміщуються по каналах, взаємодіючи з виступами «ротора», тобто тиснуть на нього з силою F. Під дією цієї сили виступ переміщається зі швидкістю v. Так відбувається перетворення енергії електричного потенціалу U в механічну енергію Fvt.
У молекулі - мікроб з «ротором» пов'язані джгутики, що виконують функції гвинта, за допомогою якого мікроб переміщається в рідкому середовищі. За допомогою каналів, здатних замикати накоротко поверхні мембрани, організм мікроба управляє різницею потенціалів і тим самим керує його рухом.
Звертають увагу дві особливості описаного електромеханічного перетворення:
) воно відбувається без участі магнітного поля (на відміну від переважної більшості «людських» електричних машин);
) перетворення відбувається без дисипації енергії - іони рухаються по каналах без тертя і взаємодіють тільки з елементами «ротора», - так що ККД перетворення практично 100%.
Цінність такого (з високим ККД, без міді і сталі) приводу для макрооб'єктів безсумнівна, хоча в даний час відсутні ідеї реалізації зазначених особливостей в макроскопічних розмірах. Проте, представляється доцільним аналіз характеристик електроприводу, влаштованого на описаному принципі. Мета цієї роботи - оцінити можливі характеристики біологічного електроприводу.
2 РУХ БАКТЕРІЙ
Рух бактерій - одне з найбільш вражаючих явищ природи. Його дослідження завдало нищівного удару по нашому зарозумілому снобізму зразок того, що біологічна еволюція, маючи в своєму розпорядженні мільярди років, так і не змогла винайти колесо, поки не з'явилася людина. З'ясувалося, що бактерії, найдавніші і найбільш просто влаштовані живі клітини, винайшли для свого руху пристрій, куди більш складне, ніж колесо, а саме ротор, що обертається під дією електричного поля. По суті мова йде про електродвигуні субмикронно...
