INZELT GYÖRGY A szív elemei
Az elektrokémiai áramforrások teszik lehetővé azt, hogy séta közben zenét hallgathassunk, vagy telefonon beszélgethessünk. A közeljövőben a gépjárművekben nem csak az indításhoz és a világításhoz használunk majd akkumulátort, mert a környezetet nem, vagy csak kevésbé szennyező tüzelőanyag-elemek fogják felváltani a benzinnel vagy dízelolajjal működő belső égésű motorokat. A tüzelőanyagelem-egységekből felépülő erőműveknek ugyancsak fontos szerepet szánnak. Mindazonáltal a hordozható vagy hálózati áramforrástól távoli eszközök energiaforrásaként továbbra is nélkülözhetetlenek a primer és szekunder elemek. Sok helyen nem érdemes vagy nem lehet távvezetéket kiépíteni. Ilyen egy világítótorony, egy sarkkutató állomás, de egy űrhajó is. Írásomban azokat az áramforrásokat mutatom be, amelyeket sokan a testükben hordoznak, és amelyek a szívverést szabályozzák vagy tartják fenn. Hosszú út vezetett Alessandro Volta találmányától, az 1800-ban szerkesztett Volta-oszloptól azokig az áramforrásokig, amelyeket ma is használunk [1, 2]. Az ügy sajátossága az, hogy mindazok a galvánelemek, amiket az elmúlt 204 évben létrehoztak, lényegében ugyanazt a felépítési elvet követik, amire Volta jött rá. Volta egyik elektródja ezüst vagy réz, a másik cink vagy ón volt, elektrolitként pedig sóoldatot használt. A Volta-oszlopnál az elektrolittal papírt vagy szövetdarabot nedvesített be, és ezt helyezte a fémek közé. Volta a különböző fémek közötti kontaktpotenciállal igyekezett magyarázni a cellában fellépő potenciálkülönbséget. Volta elmélete téves volt, mert ellenkezett az energiamegmaradás törvényével, és figyelmen kívül hagyta azt, hogy a galvánelem működése közben kémiai változások történnek. Erre már a XIX. század tudósai is felfigyeltek, és az évszázad második felében kidolgozták a kémiai termodinamikai elméletet. Ennek érett változata W. Nernst nevéhez fűződik (1889). A Nernst-egyenlet kapcsolatot teremtett a kémiai változók és a potenciál között. Nernst alapvetően hibás modellből indult ki, mindazonáltal hasznos képletet vezetett le, amit módosított formában ma is használunk. Nernst és követői tagadták a kontaktpotenciál létezését is, amiben szintén tévedtek. A Nernst-féle elmélet évtizedekig akadályozta a fejlődést, noha a tévedések már egyre nyilvánvalóbbak lettek. Az elméleten belül sok jelenség megmagyarázhatatlannak bizonyult, így például nem tudtak mit kezdeni a redoxielektródokkal. Talán a legkárosabb hatás az volt, hogy az elektródfolyamatok kinetikai magyarázatát elutasították. NohaErdey-Grúz T. és M. Volmer már 1930-ban kidolgozták a kinetikai elmélet alapjait, azt igazából csak az 1950-es években fogadták el. Innen számíthatjuk az elektrokémia modern időszakát.
1. ábra. Egy Planté-féle ólomakkumulátor 2. ábra. A Leclanché-féle elem töltése két Bunsen-féle elemmel egyik korai változata E rövid összefoglalóból kitűnik, hogy az elmélet kidolgozása, finomítása valóban hosszú ideig tartott, ami azért fontos, mert ez alapozta meg a jó hatásfokú, nagy élettartamú, nagy energiateljesítményű és megbízható elektrokémiai áramforrások kifejlesztését. A XIX. és a XX. században galvánelemek egész sorát hozták létre, ismertebbek a Daniell-elem (1836), a Grove-elem (1838), a Bunsen-elem (1841), a Leclanché-elem (1876), az Edison-elem (1904), de hazánkfiai is jeleskedtek, például Jedlik Ányos vagy Schenek István és Farbaky István. Az ólomakkumulátor (G. Planté, 1859), amely regenerálható volt, nagy előrelépést jelentett, főleg akkor, amikor már a hálózatról lehetett tölteni. A XIX. században használt áramforrások közül három látható az 1. és 2. ábrán. A jövő energiaforrásainak tartott tüzelőanyag-elemek amelyekbe folyamatosan táplálják be az oxidálható és a redukálható anyagot, pl. hidrogént és oxigént - első változata pedig már 1839-ben megszületett (W. R. Grove, 1839). Ezekben az áramforrásokban elektródként különböző fémeket, fémoxidokat vagy szenet, elektrolitként pedig savakat, sóoldatokat vagy lúgokat alkalmaztak. Az elektrolitot - Volta eredeti ötletét felhasználva - alkalmas anyagban felszívatva vagy kocsonyássá téve is használni kezdték, így készülnek a szárazelemek, amelyekből az elektrolit nem folyik ki. A kezdetekhez visszatérve, újra használunk elektrolitolvadékot is, illetve szilárd elektrolitokat. Ez utóbbiak között éppúgy megtaláljuk a polielektrolit-membránokat, mind a szilárd oxidokat. Az előbbiben a H+-ionok, míg az utóbbiban O2-ionok biztosítják a vezetést. Az elektrokémikusok itt olyan anyagokat is felhasználnak, amelyek korábban nem álltak rendelkezésre. Mit kell tudnia egy jó elektrokémiai áramforrásnak? Az elektródokon lejátszódó töltésátlépési reakcióknak gyorsaknak kell lenniük, mert ez határozza meg az áramforrás teljesítményét (P=I´E, ahol I az áramerősség és E a cella potenciálkülönbsége). Az elektrolit elektromos ellenállásának (R) kicsinek kell lennie, mert a cella belsejében ohmikus feszültségesés (EW=I´R) lép fel, ami csökkenti a cella kapocsfeszültségét és a végezhető munka nagyságát, az ún. energiakapacitást (W=Q´E, ahol Q az áthaladt töltés mennyisége). Az energiaveszteség hőtermelés formájában jelenik meg, ami legtöbb esetben káros. A gyakorlatban nem használhatók olyan galvánelemek, amelyekben két különböző elektrolitoldat van, mert ezek diffúzió útján - ha lassan is elkeverednek, ami önkisüléshez vezet. Nem reagálhat az elektród és az elektrolit. Az oxigén
és a szén-dioxid távoltartása legtöbbször kívánatos, ezért és az elektrolit távozása ellen jól záródó tokozást kell alkalmazni. Ekkor viszont nem játszódhat le olyan elektródreakció, amelynek terméke gáz (pl. hidrogén). Egy elektrokémiai áramforrás addig tud energiát termelni, amíg az adott cellareakció le nem játszódik. Ha több a reagáló anyag, akkor több energia (töltés) nyerhető az elemből. Nem mindegy viszont, hogy az áramforrás tömege, illetve térfogata mekkora. Ezért fontosak a fajlagos mennyiségek, tehát az egységnyi tömegre vagy térfogatra vonatkoztatott energia (Wh kg-1, Wh dm-3), illetve teljesítmény (W kg-1, W dm-3). Mindebből láthatjuk, hogy egy adott célra tervezett elektrokémiai áramforrásnak számos kívánalomnak kell eleget tennie. Abban az esetben pedig, amit vizsgálni kívánunk, a kis méret, a nagy élettartam és stabilitás, sőt a tok biokompatibilitása is elengedhetetlen követelmény. A szívritmus-szabályozó (pacemaker) története Bradycardia esetén a szív túl lassan ver (20-at 40-et percenként), a szívverés kihagy, a beteg légszomjjal küzd, gyakran elájul, tehát a betegség teljes munkaképtelenséggel jár, illetve akár végzetes is lehet. Ilyen rendellenességet okozhatnak a paraziták, de sok más okból is jelentkezhet. Az 1940-es években vették észre, hogy a szív elektromos ingerlésével a normál szívritmus helyreállítható. Az 1950-es években vezették be a bradycardiában szenvedő betegeknél azt a gyógymódot, hogy a bőrön keresztül egy külső áramforrásból áramütésekkel ingerlik a szívizmokat. A kezelés azonban fájdalmas volt, és a beteg mozgását korlátozta. Ez utóbbin segített az, hogy a későbbiekben nem hálózati árammal működő készüléket, hanem hordozható, akkumulátorral működő, tranzisztoros eszközt szerkesztettek, amelyből vezetéket csatlakoztattak a szívizomhoz. Ez Earl E. Bakken (1924-) nevéhez fűződik, aki villamosmérnök volt (3. ábra).
3. ábra. E. Bakken az első pacemakerrel és a Russ-díj érmével
4. ábra. A Bakken-féle készülék eredeti kapcsolási rajza
A második világháború alatt radarok építésével és karbantartásával foglalkozott, majd érdeklődése az orvosi műszerek javítása felé fordult. 1949-ben alapította meg a Medtronics céget, amely az elmúlt évtizedekben a terület vezető részvénytársaságává fejlődött. Az első évben bevételük mindössze néhány száz, míg 2000-ben 500 millió dollár volt. C. W. Lillehei, a Minnesota Egyetem szívsebésze 1957-ben kérte meg Bakkent, hogy szerkesszen egy jobb készüléket arra a célra, hogy életben tartsa azokat a betegeket, akiknek szívverése nem indult meg az operáció után. Bakken négy hét alatt készítette el a prototípust, amelynek kapcsolási
rajzát a 4. ábra mutatja be. Bakken legnagyobb meglepetésére - az állatkísérleteket mellőzve - Lillehei azonnal emberen alkalmazta, és kiválónak találta. Megszületett az első kisméretű, de még kívülről a páciens mellkasára rögzítettpacemaker! A tranzisztor feltalálásával nyílt meg a lehetőség a beépíthető pacemaker megkonstruálására is. Noha a svéd A. Senning is elég közel került a pacemaker megvalósításához, végül is Wilson Greatbatch (1919-) fejlesztőmunkáját koronázta siker (5. ábra). A két évig tartó állatkísérletek után 1960-ban alkalmazták először emberen. Greatbatch szívritmus-szabályozója 10 db cink/higany-oxid elemet és 2 db tranzisztort tartalmazott. Egy korai változat (1961-ből) látható a 6. ábrán. Greatbatch rádióamatőrként ismerkedett meg az elektronikus áramkörökkel. A második világháborúban először rádiós volt egy rombolón, illetve a USS Monterrey repülőgép-anyahajón, majd fegyveres bevetésekben vett részt. Mielőtt a Cornell Egyetemre beiratkozott volna, telefonjavításból élt a háború után. 1951-ben egy farmon dolgozott, ahol a 100 birka és kecske vérnyomását, szívverését és agyhullámait mérte. Itt hallott először arról, hogy van egy olyan betegség, amit szívblokknak hívnak, és azért fordul elő, mert a természetes elektromos (idegi) impulzusok nem jutnak el a szív felső részéből, a pitvarokból annak alsó részébe, tehát a kamrákhoz. Greatbatch arra gondolt, ő éppen ilyen kommunikációs zavarokat szokott megjavítani. Greatbatch a Buffalo Egyetemen lett villamosmérnök. Mellékállásban olyan készüléket szerkesztett, amely a szívhangokat rögzíti. Egyszer tévedésből rossz ellenállást tett be az áramkörbe, és azt vette észre, hogy az áramkör periodikusan 1,8 ms-ig adott egy impulzust, azután 1 másodpercig nem. Ez kísértetiesen hasonlított a szív tiktakolására. Megszületett tehát a szükséges oszcillátor-áramkör, ez lett az első beépíthető ritmusszabályozó lelke vagy - stílusosan mondhatnánk - szíve. Az eszközt W. C. Chardack főorvos először egy kutyán próbálta ki, ami remekül működött. Meg kellett oldania a szigetelést és néhány más technikai problémát is, de a végső cél elérése már tapintható közelségbe került. Az első 50 pacemakert Greatbatch saját kezűleg gyártotta, amelyből 40 db-ot állatkísérletekben használtak fel a Medtronic cégnél. 1960. április 15-én ültette be az első szívritmus-szabályozót Chardack egy betegébe. Még abban az évben 10 másik beteg kapta meg ezt az életmentő készüléket, amely az első beteg életét még csak 18 hónappal hosszabbította meg, de az első csoportból volt, aki még több mint 30 évet élt. Greatbatch felismerte azt is, hogy az áramforrás a kritikus egység. Ő tervezte meg az első lítiumelemet is, amelyet azután az erre a célra alapított cége gyártott.
5. ábra. W. Greatbatch oszcilloszkóppal vizsgál egy pacemakert (lent) 6. ábra. Egy Greatbatch-féle pacemaker 1961-ből
A Russ-díj Bakken és Greatbatch megérdemelten kapták meg elsőként 2001-ben a Russ-díjat. A díj, amit aRuss házaspár alapított 1999-ben, minden páratlan évben 500 000 dollárral, aranyéremmel és oklevéllel ismeri el az emberi élet minőségének javításáért tett mérnöki teljesítményeket. A díjjal járó összegből is látható, hogy a Russ házaspár a Nobel-díjnak megfelelő, mérnököknek szánt elismerést kívánt alapítani. A 2003-ban az elismerést W. J. Kolff (1911-) kapta a hemodialízis bevezetéséért. Az 1945-ben Hollandiában kifejlesztett művesekészülékének modern változata jelenleg 1,2 millió beteg életének fenntartásához nyújt nélkülözhetetlen segítséget. Az első műszívet 1957-ben az Egyesült Államokban szerkesztette meg, aminek beültethető változata 1982-ben készült el, ekkor kezdték alkalmazni is. Figyelemre méltó, hogy a díjat egy olyan házaspár alapította, akik a vagyonukat szintén mérnöki munkával szerezték. Fritz Russ szerkesztette az első nagyfeszültségű, rádiófrekvenciás generátorral működő tápegységet 1942-ben, amely később minden televíziókészülék alapvető tartozéka lett. 1946-ban tervezte meg azt az adatgyűjtő készüléket, amit az atombomba-kísérleteknél használtak. 1955-ben alapította a Systems Research Laboratories (SRL) céget, melynek elektronikai és automatikus ellenőrző rendszereit, számítógépeit az amerikai űrkutatási programban használják fel. Az űrkutatás céljára kidolgozott eszközök és módszerek - így például az űrhajósok légzését és vérnyomását mérő készülék, aminek jeleit rádióhullámokkal juttatták a földi központba - a későbbiekben földi alkalmazást nyertek. Az SRL cég tevékenysége kiterjedt a csillagháborús projekt megvalósítására is, ami persze kevésbé békés célú munka, de érthetővé teszi azt, hogy Russék hogyan tudtak több millió dollárt szánni a díj alapítására. Úgy látszik, hogy a nagy pénzösszeggel járó, az emberiség haladásáért tett erőfeszítéseket elismerő díjak létrejöttéhez az alapot egyelőre olyan, egyébként szintén fontos műszaki alkotások teremtik meg, amelyek a hadiipart is érdeklik. Tudjuk, hogy A. Nobel nitroglicerinje, dinamitja sem csak a békés építőmunkát képes szolgálni. Mindennek van persze egy jó és egy rossz oldala. A nitroglicerin felfedezője, A. Sobrero is, Nobel is, aki sokat dolgozott ezzel az anyaggal, észlelte, hogy az belélegezve fejfájást okoz. 1867-ben L. Brunton brit orvos viszont azt találta, hogy a nitroglicerin hatásosan csillapítja az angina pectorissal (akut koszorúér-elégtelenséggel) járó szívtáji fájdalmat. Az ügy pikantériája, hogy amikor Nobelnek erre a betegségére az orvosok nitroglicerin szedését ajánlották, ő visszautasította azt. Mindazonáltal a nitroglicerint ma is széleskörűen alkalmazzák e betegség kezelésére, sőt több mint száz év elteltével a hatásmechanizmusát is sikerült tisztázni. A nitroglicerinből nitrogén-oxid (NO) szabadul fel, ami tágítja a véredényeket. Ennek következtében több vér áramlik az erekben, a keringés javulásával a szívizom oxigénellátása megnő, ezáltal az anginás fájdalom is csillapodik. Az 1998-as orvosi Nobel-díjat a NO élettani szerepének megállapításáért ítélték oda R. F. Furchgott, L. Ignarro és F. Murad kutatóknak. A szívritmus-szabályozókban használt áramforrások Greatbatch tehát először S. Ruben (1900-1988) által kifejlesztett elemet találta a legmegfelelőbbnek, amelynek előnye az, hogy igen kis méretű gombelem is készíthető belőle. Ennek az 1,25 V-os szárazelemnek a celladiagramja az alábbi: - Zn (sz)˝ZnO (sz)˝KOH (aq)˝HgO (sz)˝C (sz) +,
(1)
és a következő reakció játszódik le: Zn (sz)+HgO (sz)
>ZnO (sz)+Hg (f).
(2)
A nagyobb méretű elemeknél már kiiktatták a higanyt és az ugyancsak mérgező kadmiumot (a feliratokon ez áll: 0% Hg, 0% Cd), számos gombelem azonban még mindig tartalmazza ezeket a fémeket, ezért ezek szelektív gyűjtése különösen fontos! A cink-higany elemeket sokáig használták, bár nagy hátrányuk a hidrogénfejlődés, az önkisülésre való hajlam, és főleg az, hogy működésük hirtelen szűnik meg. Használták a kadmium-nikkel akkumulátorokat is szívritmus-szabályozó áramforrásaként: - Cd (sz)˝KOH (aq)˝NiO(OH) (sz)˝Ni (sz) +,
(3)
de ezek sem jelentettek megnyugtató megoldást. Az igazi áttörés a lítiumelemek megjelenése volt az 1960-as évek végén. Az első szívritmusszabályozókban használt elemnél Li-fém volt az anód, a katód pedig poli(2-vinilpiridin) (PVP) és jód keverékéből állt (a két vegyület töltésátviteli komplexet képez, ami elektronvezető). Az elektrolit szilárd LiI volt, ahol Li+-ionok biztosították a vezetést. A cellareakció 2 Li+I2
> 2 LiI,
(4)
tehát az elektrolitként szolgáló szilárd LiI-réteg fokozatosan nő használat közben. E réteg ellenállása nagy, de mivel a szívritmus-szabályozók működéséhez igen kicsi áram (I<10 mA) is elegendő, ez nem zavarja a használatot. Számos más összetételű Li-elemet is kipróbáltak, például a réz-szulfidot, a tionil-kloridot, az ezüst-kromátot, de az 1980-as évek közepétől csak a Li˝I2-PVP-t alkalmazzák. Ma, amikor évente több mint 500 000 szívritmus-szabályozót ültetnek be az emberekbe, ez a rendkívül megbízható, hosszú élettartamú elem szolgálja ki a szükségletet. Az ára - kWh-ra számítva igen nagy, kb. 10 000 $/kWh. Összehasonlításul: 1 kWh Li˝SOCl2 elemnél 250 $, míg a Leclanché-elemnél mindössze 70 $. Mivel a szívritmus-szabályozóban az áramfogyasztás kicsi, néhány mA, nem szükséges nagyra méretezni. Körülbelül 8-12 éves működésre gyártják, már ez is óriási előrelépés, hiszen a korai elemeket 1-3 évenként kellett cserélni, ami újabb operációkat jelentett. A Li-elemekről és a lítiumról Már eddig is láttuk, hogy igen jól működő elemekről van szó, de még két fontos tényezőről nem beszéltünk. A Li˝I2-PVP elem cellafeszültsége 2,8 V, tehát jóval nagyobb, mint a többi elemé. A Li˝tionil-klorid, LiAlCl4˝C elemé, amelyeket nagy teljesítményigényű alkalmazásokra fejlesztettek ki, még ennél is nagyobb, 3,65 V. A lítium elektródként alkalmazásával az elektrokémikusok régi álma vált valóra, hiszen a Li+˝Li elektród standard elektródpotenciálja -3,045 V, ami a legnegatívabb érték, tehát más, alkalmas elektróddal összekapcsolva a legnagyobb feszültségkülönbség állítható elő. Következésképpen egységnyi töltés áthaladására a legnagyobb energia nyerhető az elemből. A Li másik óriási előnye a kis atomtömege, ami 6,941 g mol-1. Ha cinket (65,39 g mol-1), kadmiumot (112,41 g mol-1) vagy ezüstöt (107, 87 g mol-1) használunk, az elem súlya 5-15-ször nagyobb. Gondoljuk el azt, hogy mit jelent egy betegnek a könnyebb készülék, amit beoperálva a szíve fölött hord!
7. ábra. A mobiltelefonokban használt polimerelektrolitosLi-ion-akkumulátor Miért nem használták a lítiumot korábban elemekben, amikor J. A. Arfvedson (1792-1841) már 1817-ben felfedezte? Arfvedson a petalit (LiAlSi4O10) ásványt vizsgálta, és bebizonyította, hogy az egy új elemet tartalmaz. Az elemet J. J. Berzelius (1779-1848), a kor nagy kémikusa nevezte el, akinek laboratóriumában Arfvedson dolgozott. A név az ásványi eredetre utal (lithosz, görögül kő). A lítiumot 1818-ban H. Davy állította elő olvadékelektrolízissel, miként a káliumot és a nátriumot is már 10 évvel korábban, majd R. W. Bunsen (1811-1899) tisztázta a kémiai tulajdonságait. Az alkálifémek előállítása csak elektrolízissel volt lehetséges, mert a létező legerősebb redukálószerek, tehát vegyületekből ezeket másképp kinyerni nem lehetett. Ugyanez okból rendkívül reakcióképesek. Gyakorlatilag minden anyaggal igen hevesen reagálnak. A lítiumhoz hasonló tulajdonságú, de gyakoribb nátriummal szokták a tantermekben azt a kísérletet bemutatni, ahogy az alkálifém lángolva reagál a vízzel. Ezért igen veszélyes lítiummal dolgozni. A galvánelemben bármiféle oldószert redukálna a lítium, tehát sokáig elképzelhetetlennek tartották a Li-elektród alkalmazását. A lítiumelem, legalábbis 180,5 °C, a Li olvadáspontja alatt, biztonságos. Ha ennél nagyobb hőmérséklet alakul ki, a cella felrobban, de közönséges használati körülmények között ilyen kockázat nincs. A lítium felhasználását az a felismerés tette lehetővé, hogy a fém felületén megfelelő körülmények között ionvezető felületi réteg alakul ki, amely a Li+-ionokra átjárható. Az elektronátadás a Li-fém és a fedőréteg határfelületén történik, csak a Li+-ionok haladnak át a rétegen, a Li-fém közvetlenül nem érintkezik az elektrolittal. Különböző elektródokkal és elektrolitokkal kísérleteznek, így negatív elektródként a Li-fém mellett a LiAl, LiC6, míg pozitív elektródként a LiCoO2, LiMn2O4, C24ClO4 tűnik jó választásnak. Az utóbbi évtizedben két fontos újításnak lehettünk tanúi. Az egyik a szilárd polimer elektrolitok elterjedése, ezek tipikus képviselője a poli(etilén-oxid), amelyben különböző sókat (LiClO4, NaClO4, NaI stb.) oldanak fel. A másik a Li-ion-elemek megjelenése. Ilyeneket találunk a legújabb mobiltelefonokban és a hordozható számítógépekben (7. ábra). Éppen a Li-ion-elemek tették lehetővé e készülékek jelentős méretcsökkenését. Felfedezték ugyanis azt, hogy a grafitba a Li beépül, és különböző összetételű Li-C vegyületek képződnek. Ezekben az elemekben az egyik elektród a LiC6, a másik LiCoO2, és a Li+-ion a két elektród között közlekedik: C6+2 LiCoO2
LiC6+2 Li0,5CoO2. (5)
A lítium érdekes módon nem a nátriummal és a káliummal együtt, hanem vas- és magnéziumtartalmú ásványokban fordul elő. A lítium aránylag ritka elem. Felszíni kőzetekben tömegre vonatkoztatott előfordulása 18 ppm (milliomodrész), összehasonlításul a nátriumé 22700 ppm (2,27%). Ez is oka volt kései felfedezésének. Hosszú ideig a lítium gyakorlati jelentősége rendkívül csekély volt, az elmúlt évtizedekben azonban egyre több
lítiumot állítanak elő, mert fontossága megnövekedett. Az 1995-ös termelés 6300 t volt, míg ugyanez az adat 2001-ben 15 100 t. Legnagyobb termelők az Amerikai Egyesült Államok, Ausztrália, Chile, Oroszország, Argentína és Kanada. A feltárt készlet kb. 14 millió tonna, tehát - a ritkasága ellenére - belátható ideig nem lesz gond a nyersanyag mennyiségével, és egyre nagyobb mértékű a Li visszanyerése is. Van miből visszanyerni, hiszen 2003-ban már több mint 1 milliárd Li-elemet gyártottak! Tanulságos a Li-elemek felfutásának története is. 1990-ben Japánban kezdődött a - még igen szerény - tömeggyártás. 1996 után gyorsult fel a folyamat, 1999-ben 12 millió, míg 2001-ben 605 millió elemet gyártottak. Eközben az azonos energiakapacitásra vonatkozó ár a huszadrészére csökkent. A lítiumot és vegyületeit más célokra is használják: nagy szilárdságú, kis sűrűségű fémötvözetek (alumíniumötvözet a repülőgépgyártásban, Li-Al-Mg ötvözet páncéllemezként, illetve űrhajóknál), kerámiák és keményüvegek előállításához, kenőanyagokban, ferroelektromos anyagok készítéséhez stb. 1949-ben fedezték fel, hogy a depresszió hatékonyan kezelhető napi 1-2 g Li2CO3 hatóanyagot tartalmazó tablettákkal. E gyógymódot ma is alkalmazzák, noha a hatásmechanizmust azóta sem sikerült még tisztázni. A szív természetes és mesterséges ütemszabályozása Már említettük, hogy milyen betegséget lehet külső elektromos ingerrel kezelni. Talán érdekes röviden szemügyre vennünk a szív természetes működését, hiszen ezáltal jobban megérthetjük azt, milyen funkciót pótol a mesterséges eszköz. Az ütemszabályozást magában a szívben keletkező inger végzi, amely a szívizmot összehúzódásra készteti. Az elsődleges ingerképző hely a jobb pitvarban, az ún. szinuszcsomóban van. A szinuszcsomó a tulajdonképpeni pacemaker (ütemszabályozó, ritmusszabályozó). Az ingerületvezető rendszer különleges izomsejtek hálózata, amely helyenként csomót, illetve köteget alkot. A pitvarkamra határánál újabb csomó van, ebből egy ingerületvezető köteg (az ún. His-köteg) indul ki. Ez kettéválik, az egyik a jobb, a másik a bal kamrába vezeti az ingerületet. Az ingerképzés és -vezetés automatikus folyamat, de az idegrendszer szabályozza. Kóros körülmények között a szinuszcsomó elpusztulhat, a szíven belül az ingerület továbbterjedése megszakad. Betegség következtében a szívverések szabálytalanná is válhatnak (a szívverések közti időköz változik, egy vagy több szívverés kimarad), aminek az oka az ingerképző rendszerben szabálytalanul keletkező inger, vagy az ingerületvezető kötegben időnként támadó akadály. Ha a szív normális ingerének megfelelő szaporaságú és erősségű elektromos ingert kap, akkor szabályos működése fenntartható. Erről gondoskodik a pacemaker. Az első időkben aszinkron ritmusszabályozókat alkalmaztak, amelyeket állandó, percenként 70-75 impulzusra állítottak be. Az újabb, szinkronizált típusok csak akkor ingerlik a szívet, ha a szívverés lassul (kisebb, mint 68-72/perc), vagy megszűnik. Ezek természetesen már érzékelőket is tartalmaznak. Az alaptípusnál az elektród a szív jobb kamrájánál található, az elektromos generátort a bőr alá ültetik be. A mellkasról készült röntgenfelvételen látható a beültetett pacemaker, amelynek több mint felét az elem foglalja el(8. ábra), pedig ez már a kisméretű Li-elem (9. ábra). A mai pacemakereknél általában már nemcsak a jobb kamrához, hanem a jobb pitvarhoz is vezet elektród. Az intelligens ritmusszabályozók már igazodnak a tevékenységhez, és változtatni tudják az ütemet a terhelés függvényében.
8. ábra. Mellkasi röntgenfelvétel, amelyen látható a beültetett pacemaker, 1999 A kb. 250 g-os, legömbölyített kúp alakú, izmos tömlőnknek, amit szívnek nevezünk, más bajai is lehetnek. A költők sokszor megénekelték már a hevesen verő szívet, főleg szerelmi fellángolással kapcsolatban, de ennek nincs köze betegséghez, miként a más érzelmi okokból fellépő szívfájdalmaknak sem. Például Michelangelo Buonarotti így fejezte ki az apja halálakor érzetteket: "Bár volt a szívem olyan nehéz, hogy azt hittem, lelkem elhagyja végre."
9. ábra. A bal oldalon látható Li˝Ag2V4O11akkumulátort használják defibrillátorokban, míg a jobb oldali Li˝I2-PVP elemet pacemakerekben. A jobb oldali elem magassága 1,27 cm A tachycardia viszont, amikor a szív túl szaporán ver, betegség. Kezelés hiányában a beteg állapota gyorsan romolhat, a szívkamra izomrostjának önkéntelen összehúzódásai következnek be, pitvarremegés lép fel (a szívverések teljesen szabálytalanul követik egymást), ami végzetes is lehet. Ez is megszüntethető egy készülék, a defibrillátor segítségével, ami áramütésekkel visszaállítja a normális szívritmust. Ennek beültetett változatát 1980-tól kezdték alkalmazni, amellyel tachycardiás betegeknél a fibrilláció kialakulása megelőzhető. Itt nagyobb teljesítményű elemet kell alkalmazni, ami
legalább 40 J energiájú ütéseket tud produkálni. A korai készülékek Li˝V2O5 katódját az újabbakban Li˝Ag2V4O11 váltotta fel. Ez valamivel nagyobb elem, bár húsz év alatt térfogatát harmadára, 35 cm3-re sikerült csökkenteni (9. ábra). A régebbi pacemakerek a mai defibrillátoroknál is nagyobbak és nehezebbek voltak (10. ábra). Az új pacemakerek már érzékelik a tachycardiát, és be is tudnak avatkozni. A szívszélhűdés is megakadályozható, illetve kezelni tudják ily módon. E készülékekkel mind a bal, mind a jobb kamrát stimulálják. A pacemakerhez hasonló eszközöket használnak neurostimulátorként krónikus fájdalom csillapítására, a Parkinson-kór és az epilepszia kezelésére. Mivel itt az áramigény nagyobb, mA-es áramokat kell generálni, ezekben az eszközökben Li˝SOCl2 katódot alkalmaznak. Sok olyan orvosi alkalmazást említhetünk még, amelyekben az áramforrást ezek a fejlett és egyre tökéletesebb (kisebb tömegű és térfogatú, nagyobb áram- és energiateljesítményű) elemek jelentik, a beültetett gyógyszeradagoló rendszerektől a hallókészülékekig.
10. ábra. 1978-ban Magyarországon beültetett pacemaker, ami öt és fél évig működött. Mérete 4,5 cm x 5,5 cm. A külső, hermetikusan záró tok titánból készült Az életminőség javítása a XXI. század egyik központi törekvése. Ennek egyik szép példájaként mutattuk be elektrokémikusok, villamosmérnökök és orvosok közös munkáját, akik nemcsak több millió ember életét óvták, hosszabbították meg, hanem azt elviselhetővé is tették.
"Tárgy künn, s tenmagadban És érzelem, az van, Míg dobban a szív;" Arany János: Mindvégig IRODALOM [1] InzeltGy.: Az elektrokémia korszerű elmélete és módszerei I-II., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1999 [2] InzeltGy.: Kalandozások a kémia múltjában és jelenében, Vince Kiadó, Budapest, 2003
