И бактерий впрягли. Микроорганизмы заряжают батарейку

Альтернативная энергетика сегодня — одно из наиболее актуальных и перспективных технологических направлений. Альтернативные источники энергии зачастую представляют собой возобновляемые (то есть по сути неисчерпаемые) ресурсы и потому рассматриваются в качестве перспективной замены для традиционных и менее экологичных нефти, природного газа и угля, разведанные запасы которых ограничены.
В настоящее время, согласно открытым данным, доля альтернативных источников энергии (ветровые, солнечные, приливные, геотермальные станции и прочие) превысила 10% от всей мировой генерации электричества. Однако для дальнейшего развития этой отрасли требуются совершенствование технологий получения энергии, снижение прямых или косвенных последствий для экологии от их использования (например, от утилизации компонентов солнечных панелей, в которых содержатся токсичные вещества), а также создание энергоисточников, действующих на новых принципах.
Один из проектов в этой сфере реализовали молодые ученые Инжинирингового центра ЦМИД и кафедры микро- и наноэлектроники (МНЭ) Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») при сотрудничестве с Ресурсным центром Санкт-Петербургского государственного университета «Культивирование микроорганизмов» в лице научного сотрудника Дины Снарской.
Проект является результатом многолетней работы команды ученых по созданию источника энергии, которую производят бактерии.
«Мы разработали компактный источник энергии — по сути батарейку, в которой в результате жизнедеятельности цианобактерий возникает электричество. Устройство характеризуется высокой экологичностью, поскольку для его автономной работы в течение нескольких часов требуются только свет и вода», — рассказывает выпускница факультета электроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Софья Зенкова.
Проект — результат многолетней работы команды ученых кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» по созданию источника энергии, которую производят бактерии.
Последняя версия устройства представляет собой многослойную структуру, в основе которой лежит квадратная подложка миллиметровой толщины из обычного полипропилена. Ее размер примерно сопоставим с площадью коробка спичек. На подложку предварительно наносится трафарет, определяющий расположение элементов устройства.
В соответствии с заданной топологией сначала формируются электроды энергоячейки. Их роль выполняют углеродные нанотрубки, которые в составе капли специальных чернил наносятся на подложку с помощью методов струйной печати.
Получившиеся электроды имеют пористую структуру, она напитывается водой, которую потребляют цианобактерии. Из них формируется тонкая пленка следующего слоя «сэндвича».
Так же как углеродные нанотрубки, микроорганизмы наносятся на поверхность устройства методами струйной печати с помощью нескольких капель (в целом около 0,25 миллилитра) водной среды (культуры), в которой микроорганизмы обитают. Причем в устройстве используются известные, широко распространенные цианобактерии рода Synechocystis.
Как источник воды используется пленка гидрогеля (80% воды). Таким образом, ученые СПбГЭТУ «ЛЭТИ» получили компактное, тонкое и легкое устройство. Сверху в качестве внешнего защитного слоя энергоячейка покрывается обычной пищевой пленкой.
Дополнительно исследователи модифицировали поверхность электродов углеродной тканью, и они стали еще лучше удерживать питательную среду для бактерий, благодаря чему удалось повысить электрическое напряжение в устройстве примерно на 12% — до 0,4 вольта. Это значит, что всего несколько подобных ячеек энергии позволят обеспечить работу обычной светодиодной лампочки. Автономная работа устройства составляет несколько часов, после чего потребуется обновить слой гидрогеля.
«Сегодня во всем мире и в нашей стране огромное внимание уделяется разработке и внедрению экологических систем генерации энергии. Во-первых, по причине ограниченности традиционных углеводородных ресурсов, а во-вторых, из-за негативных последствий для окружающей среды от их активного применения. И в русле этого тренда предложенная нами технология может стать одним из перспективных направлений «зеленой» возобновляемой энергетики будущего, которая, кроме того, воплощена в легком и компактном устройстве. Это значит, что оно может подходить для питания самых разных видов электроники, начиная от гаджетов и заканчивая промышленным оборудованием», — поясняет Софья Зенкова.
Ученые ЛЭТИ продолжают исследования по данной тематике. Так, с помощью электронной микроскопии они выяснили, что значительное увеличение массы углеродной ткани приводит к падению мощности устройства.
По-видимому, это происходит потому, что снижается проницаемость световых лучей, которыми «питаются» бактерии. Поэтому дальнейшие исследования по данной теме в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в том числе будут направлены на подбор слоев энергоячейки с наилучшими характеристиками для увеличения выходной мощности устройства.

Центр научных коммуникаций СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
Фото пресс-службы СПбГЭТУ «ЛЭТИ»