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
Британские химики произвели дешевый катализатор для получения жидких углеводородов из углекислого газа. Он состоит из соединений железа, марганца и калия, где главную роль играют оксид и карбид железа, подобранные в правильном соотношении. Авторы предлагают использовать свое изобретение для производства авиатоплива с нулевым углеродным следом, чтобы снизить вклад авиации в глобальное изменение климата. Статья опубликована в Nature Communications.