Исследователи из Бингемтонского университета штата Нью-Йорк разработали следующий шаг в микробных топливных элементах (MFC) с первой микробиологической самоподдерживающейся клеткой, которая вырабатывала энергию в течение 13 дней подряд за счет симбиотических взаимодействий двух типов бактерий.«Эта концепция создания электричества посредством синергетического сотрудничества не нова.
Однако большая часть этой работы все еще находится на начальной стадии», — сказал доцент кафедры электротехники и информатики Бингемтонского университета Сеохеун Чой, который является одним из соавторов книги «Self — поддержание выработки биоэлектричества на основе солнечной энергии в микробных топливных элементах микробов с использованием совместного культивирования гетеротрофных и фотосинтетических бактерий », вместе с кандидатом наук Линь Лю.«Развитие этой технологии потребует дополнительных исследований, но мы впервые реализовали эту концептуальную идею в микромасштабном устройстве», — сказал Чой.В камеру для клеток размером около одной пятой чайной ложки — 90 микролитров — исследователи поместили смешанную культуру фототрофных и гетеротрофных бактерий. Фототрофные бактерии используют солнечный свет, углекислый газ и воду для производства собственной энергии, в то время как гетеротрофные бактерии должны «питаться» органическими веществами или фототрофными бактериями, чтобы выжить — подумайте о коровах, пасущихся на травянистом поле.
Пока клетка подвергалась воздействию солнечного света, в камеру добавляли начальную дозу «пищи», чтобы стимулировать рост гетеротрофных бактерий. Путем клеточного дыхания гетеротрофные бактерии производили углекислый газ, который использовался фототрофными бактериями для запуска симбиотического цикла.
После того, как этот цикл был установлен, исследователи перестали добавлять дополнительные источники «пищи» для гетерофных бактерий, и появилось достаточно фототрофных бактерий, чтобы поддерживать метаболические процессы гетерофных бактерий. Эти метаболические процессы генерировали электрический ток — 8 микроампер на квадратный сантиметр клетки — в течение 13 дней подряд.
Мощность была примерно в 70 раз больше, чем ток, производимый только фототрофными бактериями.«Топливные элементы на основе гетеротрофных бактерий генерируют более высокую мощность, в то время как фотосинтетические микробные топливные элементы обеспечивают самодостаточность. На данный момент это лучшее из обоих миров», — сказал Чой.
Это многообещающий прорыв, но это первый шаг в развитии энергии, генерируемой бактериями. В целом, миниатюрный размер ячеек позволяет сократить время запуска и преодолеть небольшое электрическое сопротивление. Однако обычному 42-дюймовому телевизору высокой четкости требуется около половины ампер электрического тока для работы, что теоретически потребовало бы примерно 62 500 ячеек для эксперимента. На самом деле эти ячейки будут использоваться для обеспечения питания в удаленных или опасных местах для элементы с низким энергопотреблением, такие как мониторы состояния и датчики диагностики инфраструктуры.
«Есть некоторые проблемы при использовании этой техники», — сказал Чой. «Уравновешивание роста обоих микроорганизмов для максимизации производительности устройства и необходимость убедиться, что эта замкнутая система будет постоянно вырабатывать электроэнергию без дополнительного обслуживания, — вот два, которые мы обнаружили. Необходимы долгосрочные эксперименты».Текущая работа является последней в серии исследований энергии, связанных с батареями и микробами, над которыми работал Чой. Прошлой весной исследователи впервые в истории соединили девять биологических солнечных (био-солнечных) элементов в работающую био-солнечную панель.
Бактерии, использованные в этом эксперименте, были фототрофными. Эта панель генерировала наибольшую мощность среди всех существующих небольших био-солнечных элементов: 5,59 микроватт.
Чой также разработал бумажную батарею на основе микробов в стиле оригами, батарею на основе микробов, которая может использовать человеческую слюну в качестве источника энергии, батарею, которую можно напечатать на бумаге, и дизайн батарей, вдохновленный японскими ниндзя, бросающими звезды.Газета появится в Journal of Power Sources 30 апреля.