Крошечные «небоскребы» помогают бактериям преобразовывать солнечный свет в электричество

Исследователи создали крошечные «небоскребы» для сообществ бактерий, которые помогают им вырабатывать электричество, используя только солнечный свет и воду.

Исследователи из Кембриджского университета использовали 3D-печать для создания решеток высотных «нано-домов», в которых любящие солнце бактерии смогут быстро расти. Затем исследователи смогли извлечь из бактерий оставшиеся после фотосинтеза электроны, которые можно использовать для питания электроники небольших размеров.

Другие исследовательские группы уже извлекали энергию из фотосинтезирующих бактерий, но кембриджские исследователи обнаружили, что предоставление им подходящего жилища увеличивает количество энергии, которую они могут извлечь, более чем на порядок. Этот подход является конкурентоспособным по сравнению с традиционными методами получения возобновляемой биоэнергии и уже достиг эффективности преобразования солнечной энергии, которая может превзойти многие современные методы получения биотоплива.

Результаты исследования, о которых сообщается в журнале Nature Materials, открывают новые пути в производстве биоэнергии и предполагают, что «биогибридные» источники солнечной энергии могут стать важным компонентом в энергобалансе с близким к нулевому уровнем выбросов углерода.

Существующие технологии возобновляемых источников энергии, такие как солнечные батареи на основе кремния и биотопливо, значительно лучше ископаемого топлива, когда речь заходит про уровень выброса углерода, но у них есть свои ограничения. Речь идет о зависимости от добычи полезных ископаемых, проблемах с переработкой, а также нельзя отрицать влияние на сельское хозяйство и землепользование, что приводит к потере биоразнообразия.

«Наш подход — это шаг к созданию еще более устойчивых устройств для получения возобновляемой энергии в будущем», — сказала доктор Дженни Чжан с химического факультета Юсуфа Хамида, возглавлявшая исследование.

Чжан и ее коллеги с кафедры биохимии и кафедры материаловедения и металлургии работают над переосмыслением биоэнергетики в нечто устойчивое и масштабируемое.

Фотосинтезирующие бактерии, ее называемые цианобактериями, являются наиболее распространенным видом жизни на Земле. В течение нескольких лет исследователи пытались «перепрошить» механизмы фотосинтеза цианобактерий, чтобы извлекать из них энергию.

«Было понятно, что существует некое узкое место, ограничивающее количество извлекаемой из фотосинтетических систем энергии, но никто не понимал, где же находится это узкое место», — говорит Чжан. «Большинство ученых предполагали, что проблема на биологической стороне, в бактериях, но мы обнаружили, что на самом деле все упирается в материальную часть».

Для роста цианобактериям необходимо много солнечного света, как, например, на поверхности озера в летнее время. А чтобы извлечь энергию, которую они вырабатывают в процессе фотосинтеза, бактерии нужно прикрепить к электродам.

Кембриджская команда напечатала 3D-электроды из наночастиц оксида металла, которые предназначены для работы с цианобактериями в процессе фотосинтеза. Электроды были напечатаны в виде сильно разветвленных, плотно упакованных столбчатых структур, похожих на крошечный город.

Команда Чжана разработала технику печати, которая позволяет контролировать процесс во многих направлениях и масштабах, что делает структуры варьируемыми и настраиваемыми. Эта методика может принести пользу в самых разных областях.

«Электроды обладают отличными светопропускными свойствами, как многоэтажка с множеством окон», — говорит Чжан. «Цианобактериям нужно что-то, к чему они могут прикрепиться и сформировать сообщество со своими соседями. Наши электроды обеспечивают баланс между большой площадью поверхности и большим количеством света, как стеклянный небоскреб».

Когда самовоспроизводящиеся цианобактерии оказались в своем новом доме из электродов, исследователи обнаружили, что они более эффективны, чем другие современные биоэнергетические технологии, например, биотопливо. Эта технология увеличила количество извлекаемой энергии более чем на порядок по сравнению с другими методами получения биоэнергии из фотосинтеза.

«Я был удивлен, что нам удалось достичь таких показателей — подобные значения предсказывались в течение многих лет, но это первый раз, когда это было продемонстрировано экспериментально», — сказал Чжан. «Цианобактерии — это универсальные химические фабрики. Наш подход позволяет нам подключиться к их пути преобразования энергии на ранней стадии, что помогает нам понять, как они осуществляют преобразование энергии, чтобы мы могли использовать их естественные пути для производства возобновляемого топлива или химических веществ».

Спасение планеты от нас самих — дело, требующий применения специальных технологий. К счастью, в современном мире есть много компаний, работающих над тем, чтобы такие технологии стали реальностью. Доменное имя .green — отличный выбор для тех, кого интересует техническая сторона этого процесса.