Необычная батарея работает на бактериях и повторяет строение кишечника
Необычная батарея работает на бактериях и повторяет строение кишечника Американские исследователи из Бингемтонского университета разработали источник электричества, конструкцию которого подсмотрели в человеческом организме. Биобатарея использует живые бактерии, перерабатывающие органические вещества, а её электроды повторяют форму ворсинок тонкого кишечника. Благодаря такому решению учёным удалось увеличить удельную мощность устройства в 8,3 раза по сравнению с обычной плоской конструкцией. В перспективе подобные источники энергии смогут питать небольшие датчики непосредственно в канализационных трубах, используя содержащиеся в сточных водах органические отходы. Принцип работы микробных топливных элементов известен уже давно. Некоторые бактерии в процессе жизнедеятельности расщепляют органические соединения и передают электроны во внешнюю среду. Если поместить микроорганизмы на специальный электрод, электроны можно собрать и направить по электрической цепи, получив небольшой ток. Однако у технологии есть существенный недостаток: бактериям требуется достаточно пространства для размножения, постоянное поступление питательных веществ и эффективное удаление продуктов обмена. Плоские электроды ограничивают доступную поверхность, а пористые материалы со временем засоряются бактериальными плёнками, из-за чего выработка электричества снижается. Решение исследователи нашли в строении тонкого кишечника. Его внутренняя поверхность покрыта миллионами микроскопических ворсинок, многократно увеличивающих площадь всасывания питательных веществ. Учёные создали похожие гибкие выступы из электропроводящего гидрогеля, содержащего поливиниловый спирт, проводящий полимер PEDOT и восстановленный оксид графена. Внутрь материала поместили споры бактерий Bacillus subtilis, способных участвовать в передаче электронов. В сухом состоянии споры остаются неактивными, но при поступлении подходящей питательной среды пробуждаются и начинают вырабатывать электричество. Искусственные ворсинки выполняют сразу несколько функций: служат средой обитания бактерий, обеспечивают поступление питательных веществ и одновременно собирают выделяемые электроны. При этом жидкость свободно циркулирует между выступами, поэтому система меньше подвержена проблемам, характерным для обычных пористых электродов. Для проверки конструкции исследователи изготовили 24 варианта ворсинок разной высоты и толщины, чтобы определить наиболее эффективное сочетание размеров. Результаты оказались впечатляющими в сравнении с традиционной плоской конструкцией. Удельная мощность нового электрода достигла 66,45 микроватта на кубический сантиметр против 8,04 микроватта у контрольного образца. Отдельная ворсинка оптимального размера вырабатывала до 8,35 микроватта. Кроме того, при непрерывной подаче питательного раствора экспериментальное устройство поддерживало напряжение около 0,75 вольта на протяжении как минимум 14 часов. Этого достаточно для некоторых маломощных электронных компонентов, хотя для питания смартфона или другой привычной техники подобные показатели пока совершенно непригодны. Наиболее перспективным применением разработки исследователи считают автономные датчики для систем водоотведения. Гибкие пластины с искусственными ворсинками можно закреплять на внутренних стенках канализационных труб, где бактерии будут получать питательные вещества непосредственно из проходящих сточных вод. Вырабатываемого электричества потенциально хватит для работы небольших сенсоров, контролирующих состояние среды. Такой подход позволит сократить необходимость в замене обычных батареек в труднодоступных местах. Пока, впрочем, технология испытана только в лабораторной модели трубы с раствором, имитирующим сточные воды. Следующий этап — разработка технологии одностадийной печати подобных биобатарей, которая позволит изготавливать их в больших количествах. Учёные также намерены усовершенствовать состав гидрогеля, чтобы ещё точнее воспроизвести биологические условия кишечника.
Канал в каталоге Максиметера
457 подписчиков · Бизнес