Znaleźli go na błotnistych brzegach rzeki Potomac ponad trzy dekady temu: dziwny „organizm osadowy”, który potrafił robić rzeczy, których nikt nigdy nie oczekiwał od bakterii.
Ten niezwykły mikrob, należący do rodzaju Geobacter, był znany ze swojej zdolności do wytwarzania magnetytu przy braku tlenu, ale z czasem naukowcy odkryli, że może tworzyć inne rzeczy, takie jak bakteryjne nanoprzewody przewodzące prąd.
Naukowcy od lat próbowali znaleźć sposób na dobry użytek z tego naturalnego daru, aw tym roku zaprezentowali urządzenie, które nazywają genem powietrza. Zdaniem zespołu ich urządzenie może wytwarzać energię elektryczną z… cóż, prawie z niczego.
„Dosłownie wytwarzamy elektryczność z powietrza” – powiedział w lutym inżynier elektryk Jun Yao z University of Massachusetts Amherst. Air-gen generuje czystą energię 24 godziny na dobę.
Twierdzenie to może brzmieć jak przesada, ale ostatnie badanie przeprowadzone przez Yao i jego zespół opisuje, w jaki sposób generator zasilany powietrzem może generować energię elektryczną tylko wtedy, gdy wokół niego jest powietrze. Wszystko to dzięki elektrycznie przewodzącym nanodrutom białkowym produkowanym przez firmę Geobacter (w tym przypadku G. serreducens).
Air-gen składa się z cienkiej warstwy nanodrutów białkowych o grubości zaledwie 7 mikrometrów, umieszczonych pomiędzy dwiema elektrodami.
Warstwa nanoprzewodu jest w stanie adsorbować parę wodną istniejącą w atmosferze, umożliwiając urządzeniu generowanie ciągłego prądu elektrycznego przewodzonego między dwiema elektrodami.
Naukowcy twierdzą, że ładunek jest tworzony przez gradient wilgoci, który dyfunduje protony w materiale nanoprzewodu.
„Oczekuje się, że ta dyfuzja ładunku spowoduje równoważące się pole elektryczne lub potencjał podobny do spoczynkowego potencjału błony w układach biologicznych” – wyjaśniają autorzy w swoich badaniach.
„Utrzymujący się gradient wilgotności, który zasadniczo różni się od wszystkiego, co widziano w poprzednich systemach, wyjaśnia ciągłe napięcie wyjściowe z naszego urządzenia nanoprzewodowego”.
Odkrycia dokonano niemal przez przypadek, gdy Yao zauważył, że urządzenia, z którymi eksperymentował, zdawały się same przewodzić prąd.
„Widziałem, że gdy nanoprzewody stykały się w określony sposób z elektrodami, generowały prąd” – powiedział Yao.
„Odkryłem, że narażenie na wilgoć atmosferyczną jest ważne i że nanoprzewody białkowe absorbują wodę, tworząc gradient naprężeń”.
Wcześniejsze badania wykazały, że hydroelektrownia jest wytwarzana przy użyciu innych rodzajów nanomateriałów, takich jak grafen, ale próby te generują w większości tylko krótkie impulsy energii elektrycznej trwające zaledwie kilka sekund.
Natomiast Air-gen wytwarza około 0,5 V DC przy prądzie około 17 mikroamperów na centymetr kwadratowy.
To niewiele mocy, ale zespół powiedział, że podłączenie wielu urządzeń może wygenerować wystarczającą moc do ładowania małych urządzeń, takich jak smartfony i inna elektronika osobista – wszystko bez marnowania i używania wyłącznie wilgotności otoczenia (nawet w tak suchym regiony, takie jak pustynia Sahara).
„Ostatecznym celem jest zbudowanie wielkoskalowych systemów” – powiedział Yao, wyjaśniając, że w pilnej potrzebie ta technologia może zostać użyta do zasilania domów za pomocą nanoprzewodów osadzonych w farbie ściennej.
„Kiedy przejdziemy do produkcji drutu na skalę przemysłową, w pełni oczekuję, że będziemy w stanie stworzyć duże systemy, które w znaczący sposób przyczynią się do zrównoważonej produkcji energii”.
Powiązane badanie przeprowadzone przez współpracownika mikrobiologa Dereka Lowleya, który jako pierwszy zidentyfikował mikroby Geobacter już w latach 80., może w tym pomóc: zmodyfikować genetycznie inne mikroby, takie jak E. coli, tak, aby wykonały tę samą sztuczkę na dużą skalę.
„Zmieniliśmy E. coli w fabrykę nanoprzewodów białkowych” – powiedział Lovli.
Wyniki przedstawiono w Nature.
Źródła: Zdjęcie: (UMass Amherst / Yao and Lovley labs / Ella Maru Studio)
