Сила стока: аккумуляторы научились заряжать с помощью микробов

В России создали источник энергии, электричество в котором вырабатывают микробы. Его спроектировали участники научно-технологической программы «Большие вызовы», прошедшей в образовательном центре «Сириус», под руководством специалистов НИЦ «Курчатовский институт». Такие элементы питания подойдут для бесперебойной работы устройств «интернета вещей» и другого оборудования. Мощность батареи можно изменять, добавляя или удаляя ячейки, каждая из которых вырабатывает 0,5 В. Этого хватит, например, для работы сенсоров давления или температуры.

 © www.nrcki.ru

Микробы за работой

Ученики образовательного центра «Сириус» под руководством специалистов НИЦ «Курчатовский институт» создали альтернативный источник энергии, электричество для которого вырабатывают микроорганизмы. Разработку можно использовать для питания маломощных устройств, например, элементов «интернета вещей», которые применяются в системе «умный город» или сельском хозяйстве. Допустим, это могут быть датчики давления, температуры или концентрации каких-либо веществ в воде или воздухе. Такой элемент нужно поместить в среду, содержащую достаточное количество органических соединений для питания находящихся внутри бактерий, и подключенное к нему устройство всегда будет обеспечено электрическим током.

— Мы создали альтернативный источник энергии, который может питать маломощные устройства. Он работает на природных ресурсах, не требует никакого сжигания топлива и не использует ископаемые ресурсы, — рассказала лаборант-исследователь НИЦ «Курчатовский институт» Екатерина Вахницкая.

Чтобы найти подходящие для выработки энергии микроорганизмы, исследователи зарывали проводящую электричество углеродную ткань в почву в окрестностях Сочи, где расположен «Сириус».

— Мы готовили питательную среду, выдерживали в ней наш материал, закапывали в почву в разной местности, и там поселялись микробы, — пояснила лаборант-исследователь НИЦ «Курчатовский институт» Кристина Базылева.

Спустя несколько суток на ткани появлялась биопленка с бактериями, генерирующими энергию.

Микробные биотопливные элементы (МБЭ) преобразуют химическую энергию, содержащуюся в органическом веществе, в электричество за счет метаболической активности микроорганизмов. Обычно МБЭ состоит из анода (материал с микроорганизмами) и катода (так называемый чистый материал без микроорганизмов). Бактерии окисляют топливо и генерируют электроны и протоны, которые перетекают с анода на катод. Одна устроенная таким образом ячейка вырабатывает напряжение порядка 0,5 В. Благодаря последовательному соединению нескольких ячеек разработчикам удалось добиться высокого для биотопливного элемента напряжения.

— Сегодня микробные биотопливные элементы крайне динамично развиваются, их использование на практике уже не какое-то отдаленное будущее, — отметил инженер-исследователь НИЦ «Курчатовский институт» Александр Романов.

Энергия сердца Исследователи испытали возможности своего изобретения на примере клеточных технологий для так называемой мягкой робототехники (soft robotics), когда андроидов создают из мягких материалов, подобных тканям живых организмов. В ходе эксперимента с помощью биотопливного источника энергии получилось зарядить аккумулятор, который затем заставлял сокращаться мышечные клетки. Подобные биосовместимые системы могут в скором будущем заменить электрокардиостимуляторы, а решить задачу их питания можно будет с помощью аналогичных батарей.

— От трех ячеек, которые составили напряжение в 1,5 В, у нас получилось запитать мышечные клетки и плату их стимуляции, — рассказал один из участников программы Илья Щембелов из Пскова.

— Soft robotics — одно из самых актуальных направлений в робототехнике сегодня, в нашей работе мы показали, что для таких систем мы можем в перспективе использовать биотопливные элементы, — отметила лаборант-исследователь НИЦ «Курчатовский институт» Наталья Шарикова.

МБЭ могут работать на глюкозе, и в случае тех же кардиостимуляторов это вещество может быть использовано из крови человека, в организме которого этот стимулятор установлен, отметил заведующий кафедрой экологии и химической технологии Института естественных и точных наук Южно-Уральского государственного университета Вячеслав Авдин.

— Существуют колонии микроорганизмов, которые заселяют поверхности деревьев, домов, камней и других твердых предметов, и вся выделяемая ими энергия никак не используется. А запасы ее колоссальны, — подчеркнул он.

Поэтому эксперт считает создание МБЭ перспективным направлением для энергетики будущего.

Существуют микроорганизмы, способные занять полезную нишу в устройствах, вырабатывающих электроэнергию, рассказала доцент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Татьяна Зимина. Например, цианобактерии — древние одноклеточные организмы, которым, как считается, мы обязаны появлением атмосферы с существенным содержанием кислорода. Такие организмы можно использовать в электрохимических ячейках, генерирующих электрический ток. Подобный принцип используют в своем проекте разработчики из «Сириуса».

— Хотя биотопливные элементы с микроорганизмами пока не являются слишком мощными источниками энергии, работы в этом направлении ведутся во всем мире, и ученые видят хорошие перспективы по созданию таких устройств зеленой энергетики, — сказала Татьяна Зимина.

Поисковые исследования в области маломощных источников энергии для мониторинга окружающей среды и систем точного земледелия представляют большой практический интерес, согласен эксперт кафедры физической химии НИТУ «МИСИС» Алексей Юдин. По его мнению, особенно важно использование указанного источника питания как датчика состояния почвы для измерения влажности, содержания питательных веществ и т. д.

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.