يتميز الجريب فروت (فاكهة حمضية كبيرة الحجم) بقشرة سميكة للغاية، التي عادة ما يتم التخلص منها، مما ينتج عنها كمية كبيرة من هدر الطعام، وتزرع عادة في جنوب وشرق آسيا.

وتتكون قشر الجريب فروت من جزأين رئيسيين – طبقة خارجية رقيقة وطبقة داخلية بيضاء سميكة، الجزء الأبيض ناعم ويشبه الإسفنج عند الضغط عليه، استخدم بعض الأشخاص قشر الجريب فروت لاستخراج مركبات للزيوت الأساسية أو البكتين، لكننا أردنا الاستفادة من البنية المسامية الطبيعية للقشر.

يبلغ وزن ثمرة الجريب فروت عادة من 1 إلى 2 كيلوجرام (2 إلى 4.5 رطل)، ويمثل القشر ما بين 30% إلى 50% من هذا الوزن

في دراسة جديدة نُشرت في مجلةACS Applied Materials & Interfaces، يستكشف باحثون طرقًا للاستفادة من الكتلة الحيوية لقشر الجريب فروت المهدرة لتطوير أدوات يمكنها تشغيل الأجهزة الكهربائية الصغيرة ومراقبة الحركات البيوميكانيكية.

قال يي تشنج وانج، الأستاذ المساعد في قسم علوم التغذية بجامعة إلينوي في أوربانا شامبين: “إذا تمكنا من إعادة تدوير القشر إلى منتجات ذات قيمة أعلى بدلاً من التخلص منه ببساطة، فلن نتمكن فقط من تقليل النفايات الناتجة عن إنتاج الجريب فروت واستهلاكه وصنع العصير، بل وأيضًا خلق المزيد من القيمة من الغذاء والنفايات الزراعية”.

وفي الدراسة، فصل الباحثون القشر عن اللحم وأزالوا الطبقة الخارجية. ثم قطعوا القشر الأبيض السميك الإسفنجي المتبقي إلى قطع أصغر وجففوه بالتجميد للحفاظ على بنيته المسامية ثلاثية الأبعاد الفريدة، ثم خزنوه في ظروف رطوبة مختلفة.

تحويل الطاقة الميكانيكية إلى كهرباء

وبعد تحليل التركيب الكيميائي للقشر وخصائصه الميكانيكية، استخدمه فريق البحث لإنشاء أجهزة يمكنها تحويل الطاقة الميكانيكية إلى كهرباء وتعمل كأجهزة استشعار للحركة تعمل بالطاقة الذاتية.

وقال وانج “تعتمد هذه الأجهزة على مبدأ التكهرب عن طريق التلامس، قد يبدو هذا الأمر معقدًا، لكنه في الواقع بسيط للغاية ونختبره طوال الوقت، على سبيل المثال، عندما نلمس مقبض الباب، وخاصة في فصل الشتاء، نشعر أحيانًا بصدمة كهربائية، والآلية الأساسية هي التكهرب عن طريق التلامس، أو التكهرب عن طريق الاحتكاك – “التريبو” تعني الاحتكاك.

وأضاف “عندما يتم فرك مادتين ببعضهما البعض، يمكن أن تتشكل كهرباء ساكنة بسبب نقل الشحنات بينهما، أردنا أن نستكشف ما إذا كان بإمكاننا جمع تلك الكهرباء والاستفادة منها”.

واستخدم الباحثون الكتلة الحيوية من قشور الجريب فروت وغشاء بلاستيكي (بولي إيميد) كطبقتين كهربائيتين يتم توصيلهما عند وجود قوة خارجية، قاموا بتوصيل قطب كهربائي من رقائق النحاس بكل من هاتين الطبقتين وقاموا بتقييم مدى قدرة الجهاز الناتج على تحويل الطاقة  الميكانيكية الخارجية إلى كهرباء.

ومن خلال النقر على هذه الأجهزة الكهربائية الاحتكاكية المصنوعة من قشر الجريب فروت بأصابعهم، تمكنوا من إضاءة حوالي 20 صمامًا ثنائيًا باعثًا للضوء (LED) ، كما أثبتوا أن الآلة الحاسبة أو الساعة الرياضية يمكن تشغيلها فقط بهذه القوى الميكانيكية، دون الحاجة إلى كهرباء خارجية، عندما يتم دمج الجهاز مع نظام إدارة الطاقة الذي يتضمن وحدة تخزين الطاقة.

 تحويل الطاقة المهدرة إلى كهرباء

وأوضح وانج أن “هذا التطبيق يتمتع بإمكانات قوية لتحويل الطاقة المهدرة إلى كهرباء مفيدة، كما وجدنا أنه بفضل البنية المسامية الطبيعية لقشر الجريب فروت، يمكن للأجهزة الكهربائية الاحتكاكية التي تعتمد عليه أن تكون شديدة الحساسية للقوة وتردد القوة، وقد ألهمنا هذا لتطوير أجهزة استشعار يمكن ربطها بجسم الإنسان لمراقبة النشاط البيوميكانيكي”.

عند ربط أجهزة الاستشعار التي ابتكرها الباحثون بأجزاء مختلفة من الجسم، تمكنت من مراقبة الحركة البيوميكانيكية مثل حركات المفاصل وأنماط المشي. ويرجع هذا إلى أن حركات أجزاء مختلفة من الجسم يمكن أن تؤدي إلى كهربة التلامس بين طبقات الاحتكاك الكهربائي، مما يؤدي إلى توليد إشارات كهربائية مميزة تتوافق مع حركات مختلفة. تتمتع هذه القدرة بإمكانات كبيرة لتوفير رؤى قيمة لمهنيي الرعاية الصحية وإعادة التأهيل البدني.

وقال وانج “يسلط هذا العمل الضوء على فرص مثيرة لتحويل النفايات الغذائية إلى أجهزة ومواد ذات قيمة مضافة. ومن خلال استبدال أو استكمال نظيراتها غير المتجددة والحد من النفايات، يمكن أن يساهم ذلك بشكل كبير في الاستدامة طويلة الأجل، وسنواصل استكشاف المزيد من الفرص لإعادة تدوير النفايات الغذائية والزراعية “.