Фотосинтезирующие цианобактерии полгода снабжали энергией микропроцессор

Ученые из Великобритании, Италии, Новой Зеландии и Норвегии разработали небольшой солнечный генератор на основе фотосинтезирующих цианобактерий. Эксперимент показал, что такой источник энергии может обеспечивать работу платы с микропроцессором на протяжении полугода. Статья опубликована в Energy & Environmental Science.

Устройства интернета вещей (IoT) в основном питаются от аккумуляторов, которые периодически нужно заряжать или менять. У этой схемы есть альтернатива: оснащать устройства генераторами энергии, делающие их независимыми. Например, недавно мы рассказывали об умном болте, который отслеживает уровень натяжения и сообщает о том, что его необходимо подкрутить. Он получает энергию из классической солнечной панели или термоэлектрического генератора.

Ученые под руководством Эмре Озера (Emre Ozer) из компании ARM и Кристофера Хау (Christopher Howe) из Кембриджского университета создали простой и компактный солнечный генератор на основе бактерий и показали, что его энергии достаточно для питания микропроцессоров на протяжении месяцев. Они использовали цианобактерии Synechocystis sp. PCC6803, способные к фотосинтезу.

Генератор имеет небольшие размеры — 7,5 сантиметра в высоту и 3 в ширину. Он состоит из полимерного корпуса с окошками и двух стальных пластин по бокам для подключения проводов. Внутри располагается погруженные в воду с бактериями алюминиевые нити, которые выступают в качестве анода. А сбоку установлена газопроницаемая мембрана и пористый углеродно-платиновый катод, контактирующий с окружающим воздухом.

Для эксперимента авторы запитали от генератора плату с микропроцессором на Arm Cortex M0+, который часто используется в микроконтроллерах, например, на его основе работает Raspberry Pi Pico. Для имитации реальной работы авторы загрузили на него код, который 45 минут в час выполняет вычисления, а остальные 15 минут простаивает. В качестве вычислений ученые выбрали расчет суммы Гаусса с частотой 10 тысяч раз в секунду. Во время этой операции процессор потреблял 0,3 микроватта.

Во время эксперимента, продолжавшегося 27 недель, генератор и плата стояли у окна в доме одного из ученых. Плата была подключена к микрокомпьютеру Raspberry Pi, который записывал показания, а также мог обеспечить питание по USB в случае, если мощности генератора недостаточно. Но за все шесть месяцев это случилось лишь однажды, когда ученые сами смоделировали такую ситуацию.

Эксперимент показал, что генератор в среднем имел мощность 1,05 микроватт, причем дневная и ночная мощность отличалась чуть менее чем в два раза. Ученые разобрали генератор, обнаружили на аноде нарост и проанализировали его состав. Оказалось, что это смесь из гидроксида алюминия и внеклеточного матрикса. Также они выяснили, что помимо изначального вида цианобактерий в системе (предположительно из-за нестерильных условий) появились и другие микроорганизмы, в том числе электроактивные бактерии родов Halomonas и Pseudomonas.

Проанализировав полученные результаты, авторы предложили два механизма работы генератора. Первый, который они назвали электрохимическим, бактерии не сами вырабатывают ток, а создают условия для окисления алюминиевого анода, в результате чего в цепи появляется ток. Второй они назвали биоэлектрохимическим. В таком режиме фотосинтезирующие цианобактерии сами отдают в цепь электроны. Вероятно, оба режима вносят вклад в работу генератора, а соотношение между ними может меняться со временем, заключают исследователи.

Ранее мы рассказывали о других микробных электрогенераторах, например, топливном элементе в виде ткани или солнечной панели, напечатанной на грибе, повышающем выживаемость бактерий.

Григорий Копиев