Живой источник энергии: фрукты с мухами

Все ищут новые альтернативные источники энергии. Специалисты считают перспективными экологически безопасные, неиссякаемые и дешевые микробные топливные элементы. Принцип их работы основан на способности бактерий к перевариванию органики. В результате разложения сахаров до спиртов и кислот освобождаются электроны, которые можно использовать.

Немножко истории
Идея получения электричества от бактерий родилась еще в 19 веке, а в 1931 году Барни Кохан создал первые микробиологические ячейки, дававшие ток в 2 мА.
Но первые эффективные биотопливные элементы появились только в начале этого тысячелетия. Стюарта Вилкинсона из Университета Южной Флориды, пожалуй, можно назвать вдохновителем этого течения, ведь он создал первого робота, успешно работающего на сахаре.
Позднее, в 2002 году, основываясь на достижениях Вилкинсона, Крис Мелхуиш, Тони Пайп и Иоанис Иеропулос из лаборатории автономных интеллектуальных систем университета Западной Англии в Бристоле разработали батарею EcoBot-I, работающую изначально на чистом сахаре (поскольку он растворялся без остатка) и вырабатывающую всего несколько нановатт и 15 мА. К 2004 году ученые перевели устройство EcoBot-II на гнилые фрукты и мертвых мух. Такие топливные элементы по эффективности и цене сильно уступали щелочным батарейкам, зато могли работать неограниченно долго, пока были мухи и фрукты. В 2007 году появился EcoBot-III, который уже генерировал несколько милливатт. Сегодня ученые продолжают совершенствовать свое изобретение.

Лаборатория автономных интеллектуальных систем университета Бристоля

Неэффективными микробиологические источники энергии в первую очередь делала реакция металлических электродов с продуктами ферментации. Прорывом в этом вопросе можно назвать 2003 год. Уве Шредер и его коллеги из Университета им. Эрнста Морица Арндта в городе Грейфсвальд повысили количество вырабатываемого электричества в десять раз – их бактерия, которая питалась сахаром, производила ток в 150 мА. Добиться этого немецким ученым помогло покрытие платинового анода электропроводящим полимером (полианилином). Такая пленка изолировала металл от продуктов брожения. Каждые 20 минут электрические импульсы очищали оболочку, благодаря чему источник энергии работал несколько часов.
В 2006 году Вилли Верстрет и его коллеги из бельгийского университета Гента добились тока в 255 мА от переработки сточных вод. Вообще переработка отходов стала немаловажным дополнительным стимулом для ученых в этой сфере.



Попытки воплотить в жизнь


Все эти научные поиски не имели бы смысла, если бы на практике так и не были испробованы.

Специалисты признают несколько факторов, препятствующих перенесению биологических генераторов электричества из лаборатории в жизнь: высокая стоимость материала электродов и все еще малый ток на выходе. Однако Брюс Логан надеется: «Научный прогресс и постоянный поиск дешевых, но эффективных материалов и конструкций приведет к коммерциализации биологических топливных элементов уже в ближайшие годы». В подтверждение его слов Тамар Ашлаги-Амири, представитель компании «Emefcy» (Израиль), заявляет, что его фирма планирует сделать свои разработки коммерческими и продаваемыми уже в 2011 году.

Трехметровая опытная установка (пивоварня Фостера, Ятал, Австралия)

Конечно, для развитых стран маломощные биотопливные ячейки пока не подходят. Зато они смогли помочь народам Африки, во многих поселениях которой вообще нет электричества. Команда гарвардских студентов-ученых, объединившихся в организацию Lebone, подарила электричество нескольким деревням в Танзании (2008) и Намибии (2009). Предложенный ими простой и крайне дешевый генератор электричества работает в течение нескольких месяцев от грязи, которой в Африке предостаточно.
Аналогично «живые генераторы» перспективны для обеспечения работы оборудования вдали от цивилизации. Например, в США разрабатывают биоаккумуляторы для подводного морского оборудования, в частности датчиков передвижения для морских животных. А началось все с того, что в 2002 году американские ученые получили электричество от бактерий из морского придонного ила. Для этого один графитовый стержень воткнули в придонный ил, другой погрузили в воду непосредственно под океанской поверхностью, насыщенной кислородом. По словам исследователей, полученной энергии уже тогда было бы достаточно для обеспечения питанием всего эксперимента.

Стивен Лвендо из Lebone показывает жителям Танзании микробиологические генераторы

Последней нашумевшей новинкой в этой области стал концепт экологичного телефона от Nokia. Китайский дизайнер Дайцзы Чжен научил телефон питаться кока-колой или любым другим сладким напитком. Устройство выполнено в виде цилиндра с топливным элементом, резервуаром для жидкости и такими привычными телефонными компонентами как дисплей и клавиатура. Разложение сахара в газировке дает электроэнергию, а также кислород и воду, что весьма экологично. Пока это лишь концепт, но забавно представить, как в будущем техника будет обедать вместе с нами, а название «АвтоМакДональдс» приобретет совсем иной смысл.




Принципы работы
Рассмотрим немножко подробнее работу органической батарейки.
Колония бактерий, живущая на аноде, расщепляет углеводы до углекислого газа (СО2), протонов (Н+) и электронов. В природе в аэробных условиях бактерии используют кислород или нитраты в качестве акцепторов электронов, так что окончательным продуктом реакции становится вода. В микробиологической топливной установке условия анаэробные, поэтому бактерии вынуждены передавать электроны доступному акцептору, то есть аноду.
Далее электроны текут по электрической цепи через нагрузку к катоду. В это же время протоны из анодной камеры через катионную мембрану попадают в катодную камеру, содержащую кислород. На катоде из кислорода и протонов восстанавливается вода.
По описанной схеме можно собрать «живой генератор» даже у себя дома. Возможно, он будет малоэффективен, зато даровое топливо в виде бытовых отходов для него наверняка найдется.





Материалы для биобатареек
К материалу анода предъявляются два требования, ограничивающие его выбор: он должен хорошо проводить, но вместе с тем не взаимодействовать с продуктами брожения и бактериями (не отравлять их). Углеродные аноды обеспечивают отличную адгезию бактерий на своей поверхности, но им не хватает электопроводности. В связи с чем Брюс Логан полагает самым многообещающим вариантом металлический сердечник в графитовой оболочке.
Принципиально различных вариантов катода два. Первый, самый привычный - из проводящего материала, который не расходуется и выступает как катализатор. Второй гораздо интереснее – это просто кислород, содержащийся в воздухе или воде.
Для увеличения производительности реакции с кислородом, как правило, используют платиновый катализатор. Многие ученые пытаются найти эффективный катализатор из неблагородных металлов, что уменьшило бы стоимость биоэлектричества.
Микробиологические топливные элементы подразделяют на микробные и ферментные, соответственно в качестве катализаторов в них применяют либо целые микроорганизмы, либо ферментные препараты. Часто ученые используют бактерию Escherichia coli, или попросту кишечную палочку. «Большой процент используемых микроорганизмов составляют Geobacter (анаэробные железобактерии)», - считает Келли Нэвин (Массачусетский университет). Некоторые разработчики полагают, что сам вид бактерий вообще не важен, поэтому можно использовать естественную микрофлору. «Мы используем любые бактерии, присутствующие в сточных водах. Мы создаем для них наилучшие условия для переваривания органики и производства электронов», - рассказывает Тамар Ашлаги-Амири.

Келли Нэвин

Если в топливном элементе одновременно присутствует много микроорганизмов, то природа сама разберется и поможет конструктору. Например, в своих опытах Вилли Верстрет использовал одновременно несколько видов бактерий. В процессе работы энергетической установки между микробами шла настоящая война. В результате в колонии численный перевес перешел к бактериям вида Brevibacillus agri, оказавшимся самыми продуктивными в генерации электричества.
Профессор Дерек Лавли из Массачусетского университета установил, что бактерии под названием «пили» (семейство Geobacter) с бугристой поверхностной структурой в восемь раз эффективнее при передаче электронов и производстве электричества, чем бактерии с гладкой поверхностью, используемые ранее. Топливные ячейка на бактериях пили попала на восьмое место в списке «The Times» 50 лучших изобретений 2009 года. Коллега Дерека Лавли, Келли Нэвин утверждает: «Это изобретение – рекордсмен по мощности и его эффективность может быть доведена до 100%».





В качестве топлива могут использовать углеводы, органические кислоты и спирты, а также многие органические отходы. Последний фактор позволяет убить двух зайцев: решить энергетическую и экологическую проблемы. Так, например, Тамар Ашлаги-Амири главной целью разработок микробиологических топливных элементов его компанией называет «переработку промышленных сточных вод», а выработку при этом электричества считает «дополнительным полезным эффектом».

Схема микробиологической топливной установки

Микробные ограничения
Основой микробных топливных установок являются живые организмы, а это накладывает определенные требования. «Чтобы бактерии оставались живыми, их необходимо периодически подкармливать, а для электрохимических реакций необходимо поддерживать влажную среду. Микробиологические топливные ячейки работают при комнатной температуре и нейтральном pH», - говорит Иоанис Иеропулос.
Работа в теплых, комфортных условиях весьма сужает область применения биологических топливных элементов в жизни. Расширить границы пытаются российские ученые. Так сотрудники лаборатории гипертермофильных микробных сообществ ИНМИ РАН (Москва) регулярно совершают экспедиции, чаще всего на Камчатку, для поиска и изучения термофилов в природных термальных экосистемах. Термофилы – это такие микроорганизмы, которые способны активно развиваться в таких непригодных для жизни условиях, как крайне высокие температуры и скопления отравляющего угарного газа, что характерно для нефтяных месторождений, гейзеров, горячих источников вулканических зон. Многие термофилы растут анаэробно (без кислорода) и используют для дыхания разные газы, в том числе угарный, а также могут восстанавливать железо, серу и некоторые другие материалы. В лаборатории гипертермофильных микробных сообществ уже есть модельные термофильные топливные элементы, а последняя экспедиция наших ученых по поиску электрогенных микроорганизмов состоялась в сентябре 2009 года в кальдеру Узон (Камчатка). Ее результаты весьма обнадеживают.

Биологические топливные ячейки

«Гидротермальные системы обладают электрохимическими характеристиками, позволяющими создавать на их основе микробные топливные элементы с высокими значениями мощности и удельной плотности тока. Разработана концепция «гидротермальных электрохимических источников тока». В настоящее время проводится филогенетический анализ микробных сообществ, развивающихся на аноде in situ», - рассказывает Александр Слободкин, к.б.н., старший научный сотрудник лаборатории гипертермофильных микробных сообществ ИНМИ РАН.
«Пока можно сказать наверняка: энергетическая эффективность микробиологических топливных элементов при повышенных температурах выше, чем в обычных условиях. Наши полевые эксперименты в гидротермах кальдеры Узон на Камчатке показали возможность развития электрогенных консорциумов термофильных микроорганизмов в виде обрастаний на анодах топливных элементов при температурах от 50 до 70°С. Анализ этих консорциумов сейчас выполняется, но еще не завершен, так что об их микробном биоразнообразии мы пока ничего определенного сообщить не можем», - дополняет коллега г-на Слободкина, к.б.н. Сергей Гаврилов.
Тот факт, что технику на таких аккумуляторах надо кормить, с одной стороны можно назвать ограничением. С другой стороны, «живые генераторы» будут работать, пока есть органика, то есть по сути это неиссякаемый источник энергии. Бесперебойное питание обеспечивает их непрерывную работу - например, запущенная Брюсом Логаном 5 декабря 2005 года микробиологическая топливная ячейка работает до сих пор. А когда ученым удастся создать роботов, самостоятельно добывающих себе пропитание, человечеству покорятся многие ранее недоступные уголки мира.

Geobacter

Подарки от бактерий
Как говорилось, при переработке органики бактериями выделяется водород. В микробиологических топливных элементах из этого водорода вытягиваются электроны, которые и дают нам ток.
С другой стороны, ученые бьются над вопросом, где достать водород для заправки водородных автомобилей. Ответ – все те же бактерии. За решение этого вопроса взялись Брюс Логан и Хонг Лю совместно со Стивеном Гротом, главой американской компании Ion Power. Они добились двух ключевых моментов: бактерии перерабатывают любую органику, а главное, вчетверо интенсивнее, чем при обычном брожении. Дело в том, что существует «барьер брожения», то есть бактерии перерабатывают углеводы в очень ограниченное количество водорода и множество кислот. Перепрыгнуть барьер и разложить кислоты до углекислого газа и водорода бактериям помогает слабый ток мощностью в 0,25 Вт. Российские ученые тоже осваивают это направление, например, лаборатория гипертермофильных микробных сообществ ИНМИ РАН, но о результатах говорить рано.
Помимо дарового водорода бактерии предлагают нам еще несколько способов получить альтернативную энергию.
Так, цианобактерии после генной модификации стали выделять гелевидные органические вещества, годные для производства топлива. Не уничтожая колонию, можно получать урожаи постоянно, правда, только в теплом климате.
Еще ученые обнаружили бактерии, способные перерабатывать каменный уголь в метан. Это способно, во-первых, упростить, во-вторых, сделать более экологичным добычу природных источников энергии. (О добыче метана из угольных пластов – в нашей публикации.)
Изучая микроорганизмы Geobacter, группа Дерека Лавли обнаружила, что эти бактерии производят так называемую «микробную нанопроволоку». Это электропроводящие структуры с сечением всего 3-5 нанометров, при этом отношение ее диаметра к длине может превышать 1:1000. Пока это уникальное открытие не имеет прикладного значения, но, по мнению профессора Лавли, «микробная нанопроволока» может стать строительным материалом для производства наноустройств.

Ирина Рахмеева,  EnergyLand.info

На первой фотографии: телефон Nokia, заряжающийся от Coca-Cola
Ссылки по теме:
Угольные бассейны как источник метана
Биодизель – мировая практика производства. Углеводородное и альтернативное топливо. За и против