Цианобактерии полгода питали процессор энергией: биотехнологии в жизни
Есть «зеленая энергия», а есть энергия сине-зеленых водорослей — впрочем, тоже экологически чистая.
По словам исследователей, небольшая альтернатива батареям на биологической основе может служить способом питания небольшой электроники без редкоземельных элементов и лития — материалов, которых не хватает и спрос на которые растет. Кроме того, система может также помочь «преодолеть разрыв в электроэнергии, обеспечив еще одним источником питания людей в сельских районах или странах с низким уровнем дохода», заявил старший автор Крис Хоу, биохимик из Кембриджского университета.
Во время пандемии компьютерная система водорослей была помещена в окно дома другого кембриджского биохимика, Паоло Бомбелли. Согласно сообщению New Scientist, он находился там с февраля по август 2021 года и все это время работал. По словам ученых, в течение шести дополнительных месяцев после официального тестирования водорослевое устройство и компьютер продолжали работать.
Хотя с тех пор микропроцессор был отключен, устройство с цианобактериями продолжает производить ток. «Он все еще работает, и я надеюсь, что он будет работать еще очень долго. Учитывая правильные условия освещения, температуры и воды, я не могу предсказать, когда это прекратится», — рассказал Бомбелли в электронном письме порталу Gizmodo.
Цианобактерии собирают энергию солнечного света и превращают ее в пищу для себя. Для этого исследования ученые поместили обеспечивающие питание микроорганизмы (в частности, Synechocystis sp.) в пластиковый и стальной корпус размером с батарейку АА вместе с алюминиевым анодом. На протяжении всего эксперимента подключенный микропроцессор был запрограммирован на выполнение ряда вычислений, а затем проверку собственной работы. Он делал это с шагом в 45 минут, а затем 15 минут в режиме ожидания непрерывно в течение нескольких месяцев с блоком цианобактерий в качестве единственного источника питания.
Как это работает
Исследователи предложили две гипотезы того, как их система создает ток. В так называемой «электрохимической» модели микробы просто создавали подходящие условия для окисления алюминиевого анода или высвобождения электронов, которые в свою очередь создавали электрический выход. В «биоэлектрохимической» модели сами цианобактерии генерировали электроны, которые переносились через бактериальные мембраны на алюминиевый анод, создавая ток. Поскольку алюминиевый анод, похоже, со временем не сильно деградировал, ученые считают второе объяснение более вероятным, чем первое.
Несмотря на то, что водоросли питаются источником света, биосистема продолжала производить достаточно энергии для работы микропроцессора в темноте. Ученые в основном связывали это явление с остатками. Когда было светло, цианобактерии готовили избыток пищи, а когда было темно, микроорганизмы продолжали жевать лишнее.
Компьютер, микропроцессор под названием Arm Cortex-M0+, потреблял в среднем 1,05 микроватт и электрический ток 1,4 микроампер при напряжении 0,72 В от цианокуба в ходе эксперимента. Для сравнения, стандартная батарейка типа АА начинает свой срок службы с 1,5 В, которое уменьшается по мере использования.
Хотя результаты эксперимента обнадеживают, важно помнить, что протестированный компьютерный процессор потребляет очень мало энергии — для его работы требуется всего 0,3 микроватта. Для контекста, даже энергоэффективная светодиодная лампочка потребляет около 10 Вт. Необходимы дополнительные исследования, чтобы точно знать, насколько может масштабироваться крошечное устройство размером с AA-батарейку.