В минувшем году ученые из Европы и США совершили несколько крупных открытий в биоэлектричестве, а именно извлечении электроэнергии из бактерий, биопленок и других микроорганизмов биомассы. Основная цель таких исследований — создать возобновляемые автономные источники энергии, которые не только не дают вредных выбросов, но даже могут сокращать их.
Бактерии могут стать новым возобновляемым источником энергии
Фото: Ronen Zvulun / Reuters
Бактерии могут стать новым возобновляемым источником энергии
Фото: Ronen Zvulun / Reuters
Энергия элемента
В середине декабря исследователи Университета Байройта (Германия) заявили об открытии, которое может значительно ускорить практическое применение микробных топливных элементов вне лабораторных условий. Они обнаружили, что способность извлекать выделяемое микробами (бактериями и другими микроорганизмами) электричество можно заметно увеличить в зависимости от материала электродов.
Еще в начале XX века ученые обнаружили существенный энергетический потенциал в микроорганизмах, в бактериях, клетках. В процессе своей жизнедеятельности бактерии поглощают углеводы и выделяют углекислый газ, протоны и электроны. Этим и решили воспользоваться ученые, создавшие микробные топливные элементы (microbial fuel cell, MFC, или МТЭ). В последние годы исследователи уже ставят эксперименты по созданию мусорного бака с биоотходами, от которого можно будет заряжать любое компактное устройство, например телефон. Анаэробные микроорганизмы, которые живут в бескислородных условиях, позволяют создавать микробные топливные элементы. Это дает возможность перерабатывать отходы сразу в биотопливо. Такая технология уже применяется в сельском хозяйстве, где много биоотходов. Бактерии производят биогаз метан, который можно использовать для того, чтобы обогревать жилье или крутить генератор. Одна из перспективных отраслей — «разведение» бактерий, способных бороться с экологическими угрозами, в том числе с разливами нефти.
МТЭ состоит из двух резервуаров. В одном находятся бактерии, углекислый газ и анод (электрод, где движение электронов совершается от него). В другом — кислород, например, в составе воды, и катод (электрод, который притягивает к себе электроны). Резервуары отделены друг от друга мембраной, способной пропускать протоны. Выделяемые бактериями протоны через мембрану попадают в катодную камеру. Выделяемые же бактериями электроны идут на анод, затем по внешней цепи поступают на катод, где соединяются с протонами и кислородом. Движение электронов из одного резервуара в другой и образует электрический ток. Недостатком такого способа получения электричества является его малая сила, которая исчисляется в микроамперах.
Для увеличения электропроводимости в микробном топливном элементе ученые Университета Байройта пробовали электроды из двух разных материалов — углеродного микроволокна и ячеистой нержавеющей стали.
Выяснилось, что наибольшую биоэлектропроводимость обеспечивают электроды из ячеистой нержавеющей стали, если их поверхность покрыта высокопроводимой углеродной сажей.
Опытным путем ученые также обнаружили, что оптимальным расстоянием между катодом и анодом в микробном топливном элементе является 4 см. Исследователи полагают, что такая система позволит обеспечивать биоэлектричеством в автономном режиме такие устройства, как сенсоры, используемые для мониторинга состояния окружающей среды в отдаленных районах, где нет обычного электропитания или слишком дорого его использовать,— от сети или стандартных батарей.
«Существенно более высокая производительность, которую нам удалось получить от микробных топливных элементов при помощи инновационных электродов, может объясняться следующим образом: полученное нами сочетание материалов дает гораздо больший объем специфической поверхности, при помощи которой микроорганизмы могут передавать электричество. Это выражается в большем потоке электронов, которые, высвобождаясь в результате микробного обмена веществ, попадают в электроцепь»,— пояснил результаты исследования руководитель исследовательской группы по биопроцессам в Университете Байройта Симеон Имолоджи.
Если я заменю батарейки
Ученым из Йельского университета удалось скрытый электрический потенциал растений
Фото: Chr. Wibler / UBT
Ученым из Йельского университета удалось скрытый электрический потенциал растений
Фото: Chr. Wibler / UBT
Поисками решения проблемы малой силы тока от МТЭ активно занимаются и ученые Йельского университета (штат Коннектикут, США). В сентябре они заявили об интересном открытии, связанном с биопленками (сообществами микроорганизмов) из особых бактерий, которые обитают глубоко под землей или под водой в условиях сверхмалой освещенности, т. е. почти в темноте. В ходе своего жизненного цикла эти «темные» бактерии в малых объемах выделяют электроны, т. е. электричество. Это происходит благодаря микроскопическим протеиновым волокнам. Но когда такие бактерии оказываются под воздействием света, естественного или искусственного, их протеиновые нановолокна начинают работать продуктивнее в несколько раз, таким образом бактерия выделяет в разы больше электричества. Воздействие света на такие бактерии способно увеличить их электропроводимость в 100 раз, создавая фотоэлектрический ток длительностью несколько часов. По итогам своих исследований ученые заявили об открытии новой формы фототсинтеза.
«Резкое увеличение тока в нановолокнах бактерий, подвергшихся воздействию света, дает стабильный фотоэлектрический ток в течение многих часов»,— подчеркивает доцент кафедры молекулярной биофизики и биохимии Йельского университета Нихил Малванкар. Ученые полагают, что открытие такой закономерности позволит использовать скрытый электрический потенциал микроорганизмов для целого ряда задач — от удаления мусора и загрязнений биологического происхождения до создания полноценных биологических и возобновляемых источников энергии.
Еще дальше продвинулись ученые из Бингемтонского университета (штат Нью-Йорк, США). В июне они опубликовали результаты исследования, в ходе которого была создана самая настоящая биобатарея, которая в отличие от существующих МТЭ может работать не несколько часов, а несколько недель. Исследования проводились благодаря специальному гранту в $500 тыс. от Управления США по морским исследованиям.
Исследователи создали батарею стандарта plug-and-play, т. е. готовую к реальной работе с электрическими устройствами. Более того, конфигурация такой биобатареи позволяет поддерживать и даже наращивать напряжение и силу тока, добавляя новые элементы в уже работающую батарею или заменяя отработанные компоненты.
Ученые изменили стандартную схему МТЭ путем создания трех вертикально расположенных и изолированных друг от друга резервуаров с различными бактериями. «В верхнем резервуаре находятся фотосинтезирующие бактерии, которые производят органические продукты питания для бактерий, находящихся во втором, среднем резервуаре. Эти бактерии нужны, чтобы производить питательные элементы уже для электрогенерирующих бактерий, которые находятся в третьем, нижнем резервуаре. Постоянная подпитка, которую получают "нижние" бактерии от "средних", позволяют им не только увеличить время своей работы, но и силу тока»,— поясняют авторы исследования Шон Чой, Анвар Эльхадад и Линь Лю. Ученые сравнивают созданную ими структуру биобатарей с конструктором Lego — они могут не только заменять резервуары с теми или иными бактериями, отработавшими свой ресурс, но и соединять друг с другом сами батареи, повышая совокупную силу тока. Размер одной батареи невелик — 3х3 см в ширину и длину, поэтому при желании из них можно создать не только более мощную батарею, но и подобие электростанции. Авторы исследования полагают, что наиболее полезными такие биобатареи-конструкторы могли бы стать для обеспечения бесперебойной работы интернета в отдаленных регионах планеты.
Бактерии могут помочь развитию современных технологий: от переработки мусора до сетей 6G
Фото: Ella Maru Studio / Yale University
Бактерии могут помочь развитию современных технологий: от переработки мусора до сетей 6G
Фото: Ella Maru Studio / Yale University
«Сейчас у нас есть сети 5G, в ближайшие несколько лет должны заработать сети 6G,— подчеркивает Шон Чой.— Для работы в таких сетях, для "интернета вещей" нужны "умные", но очень компактные устройства. Как же мы можем обеспечить энергией такие миниатюрные устройства, которые могут быть расположены вдалеке от традиционных источников энергии? Мы не можем ездить туда, чтобы каждый раз заменить батарейку или аккумулятор. Для этого нам и понадобятся миниатюрные возобновляемые источники энергии».