Микропроцессоры могут питаться от фотосинтетических микроорганизмов в окружающем свете без необходимости внешнего источника питания, показывают новые исследования. Под руководством Эмре Озера из Арм и Кристофера Хоу из Кембриджского университета исследователи из Великобритании, Италии и Норвегии внедрили цианобактерию Synechocystis sp. PCC6803 в алюминиево-воздушную батарею для создания биофотовольтаического устройства. Устройство по размеру похоже на батарейку типа АА, изготовлено из прочных и в основном перерабатываемых материалов и не требует специального источника света для работы. Это первая зарегистрированная биоэлектрохимическая система, способная непрерывно питать микропроцессор вне лабораторных условий.
“Мы решили, что не хотим эксплуатировать систему с помощью специального источника энергии. Нам нужно было доказать, что мы можем работать в условиях внешнего освещения, и мы смогли это сделать”, – комментирует Паоло Бомбелли, один из ведущих исследователей из Кембриджского университета.
Команда проверила стабильность и биосовместимость алюминиевой подложки и продемонстрировала, что система может непрерывно питать процессор Arm Cortex-M0+ в течение шести месяцев при различных условиях окружающей среды в диапазоне температур 13,8-30,7°C. Процессор выполнил 1,23 × 1011 циклов 45-минутных вычислений с последующим 15-минутным периодом ожидания. Питаясь полностью от биофотоэлектрического элемента, процессор потреблял средний ток 1,4 мкА при напряжении 0,72 В. Система отказала только тогда, когда для снижения температуры до 5°C был использован пакет со льдом.
Команда намеренно оставила биофотовольтаическую систему негерметичной. Как только система была установлена, виды Halomonas и Pseudomonas выросли вместе с видами Synechocystis. ‘Мы намеренно держали систему не в стерильных условиях. Позволяя загрязняющим веществам проникать в систему, мы способствуем эволюции биома”, – объясняет Бомбелли. Мы были очень рады обнаружить эту сложную и запутанную смесь культур, работающих вместе, что является одним из ключевых элементов хорошей работы системы. Эти смешанные культуры создают стабильный, долговечный биом, а также помогают процессу переноса электронов”.
Нужны портативные зарядки для ноутбуков? Переходите по ссылке на страницы нашего сайта про солнечные генераторы Jackery.
Исследователи предполагают, что биофотовольтаическая система работает как в электрохимическом, так и в биоэлектрохимическом режиме. В электрохимическом режиме микроорганизмы создают благоприятную среду для электрохимического окисления алюминия, генерируя электроны. В биоэлектрохимическом режиме электроны передаются непосредственно от бактерий, например, с внешней клеточной мембраны, и переносятся на алюминий.
Представленное здесь биофотовольтаическое устройство демонстрирует непредсказуемую природу биологии, но также и ее адаптируемую и устойчивую сторону. Непрерывное питание без подзарядки биоанода в течение шести месяцев – это замечательно”, – говорит Марин Сава, эксперт по биоэлектронике на основе фотосинтеза из Университета Ньюкасла в Великобритании. Эта система “кажется гораздо более надежной и адаптируемой, чем я представлял себе для производства биоэлектричества”.
Применение системы может включать питание небольших электронных устройств. Существует значительный потенциал для использования технологии в отдаленных местах, где нет возможности пользоваться электричеством, и где неудобно использовать батареи, требующие регулярной замены.
Кевин Реддинг, эксперт по фотосинтетическому преобразованию энергии из Университета штата Аризона в США, впечатлен стабильностью системы. Это исследование служит обнадеживающим доказательством того, что микробная клетка может использовать фотосинтез для долгосрочного производства энергии, достаточной для питания процессора. Это может убедить промышленность отнестись к этой технологии достаточно серьезно, чтобы инвестировать время и ресурсы, необходимые для ее развития в полезную технологию”. Сопряжение таких энергетических устройств с небольшими процессорами может подтолкнуть производителей чипов к разработке новых энергоэффективных чипов, предназначенных для работы с биофотовольтаическими клетками в будущем”.
