В статье, опубликованной сегодня в Proceedings of the National Academy of Sciences, соавторы Yi Cui, ученый-материаловед, Craig Criddle, инженер-эколог, и Xing Xie, междисциплинарный научный сотрудник, называют свое изобретение микробной батареей.
Однажды они надеются, что он будет использоваться в таких местах, как очистные сооружения, или для разложения органических загрязнителей в «мертвых зонах» озер и прибрежных вод, где стоки удобрений и другие органические отходы могут снизить уровень кислорода и задушить морскую жизнь.
Однако на данный момент их лабораторный прототип размером с D-элементную батарею выглядит как химический эксперимент: два электрода, один положительный, другой отрицательный, погружены в бутылку со сточной водой.
Внутри этого темного пузырька, прикрепленного к отрицательному электроду, как ракушки к корпусу корабля, необычный тип бактерий питается частицами органических отходов и производит электричество, которое улавливается положительным электродом батареи.
«Мы называем это ловлей электронов», — сказал Криддл, профессор кафедры гражданской и экологической инженерии и старший научный сотрудник Стэнфорд-Вудского института окружающей среды.
Ученым давно известно о существовании так называемых экзоэлектрогенных микробов — организмов, которые развивались в безвоздушной среде и развили способность реагировать с оксидными минералами, а не вдыхать кислород, как мы, чтобы преобразовать органические питательные вещества в биологическое топливо.
В течение последних десяти лет несколько исследовательских групп пробовали различные способы использования этих микробов в качестве биогенераторов, но эффективное использование этой энергии оказалось сложной задачей.
Новым в микробной батарее является простая, но эффективная конструкция, которая заставляет эти экзоэлектрогенные бактерии работать.
На отрицательном электроде батареи колонии микробов, привязанных к проводам, цепляются за углеродные нити, которые служат эффективными электрическими проводниками. С помощью сканирующего электронного микроскопа команда из Стэнфорда сделала снимки этих микробов, прикрепляющих молочные усики к углеродным нитям.
«Вы можете видеть, что микробы создают нанопровода, чтобы сбрасывать свои избыточные электроны», — сказал Криддл. Чтобы представить изображения в перспективе, около 100 из этих микробов могут поместиться рядом на ширину человеческого волоса.
Поскольку эти микробы поглощают органическое вещество и превращают его в биологическое топливо, их избыточные электроны перетекают в углеродные волокна и попадают на положительный электрод, который сделан из оксида серебра, материала, который притягивает электроны.
Электроны, текущие к положительному узлу, постепенно восстанавливают оксид серебра до серебра, сохраняя при этом запасные электроны.
По словам Се, примерно через день положительный электрод поглотил полную нагрузку электронов и в значительной степени превратился в серебро.
В этот момент он удаляется из батареи и повторно окисляется до оксида серебра, высвобождая накопленные электроны.
Инженеры Стэнфорда подсчитали, что микробная батарея может извлекать около 30 процентов потенциальной энергии, содержащейся в сточных водах. Это примерно такая же эффективность, с которой лучшие коммерчески доступные солнечные элементы преобразуют солнечный свет в электричество.
Конечно, в сточных водах гораздо меньше энергетического потенциала. Тем не менее, изобретатели говорят, что микробная батарея заслуживает внимания, потому что она может компенсировать часть электроэнергии, которая сейчас используется для очистки сточных вод. Это использование в настоящее время составляет около трех процентов от общей электрической нагрузки в развитых странах.
Большая часть этого электричества идет на закачку воздуха в сточные воды на обычных очистных сооружениях, где обычные бактерии используют кислород в процессе пищеварения, как люди и другие животные.
Заглядывая вперед, инженеры Стэнфордского университета говорят, что их самой большой проблемой будет поиск дешевого, но эффективного материала для положительного узла.
«Мы продемонстрировали принцип, используя оксид серебра, но серебро слишком дорого для использования в больших масштабах», — сказал Куи, доцент кафедры материаловедения и инженерии, который также является аффилированным лицом с Национальной ускорительной лабораторией SLAC. "Хотя сейчас ведутся поиски более практичного материала, на поиск замены потребуется время."