Вчені з Великобританії, Італії, Нової Зеландії та Норвегії розробили невеликий сонячний генератор на основі фотосинтезуючих ціанобактерій. Експеримент показав, що таке джерело енергії може забезпечувати роботу плати з мікропроцесором протягом півроку. Стаття опублікована в.
Пристрої інтернету речей (IoT) в основному харчуються від акумуляторів, які періодично потрібно заряджати або міняти. У цієї схеми є альтернатива: оснащувати пристрої генераторами енергії, що роблять їх незалежними. Наприклад, нещодавно ми розповідали про розумний болт, який відстежує рівень натягнення і повідомляє про те, що його необхідно підкрутити. Він отримує енергію з класичної сонячної панелі або термоелектричного генератора.
Вчені під керівництвом Емре Озера (Emre Ozer) з компанії ARM і Крістофера Хау (Christopher Howe) з Кембриджського університету створили простий і компактний сонячний генератор на основі бактерій і показали, що його енергії достатньо для харчування мікропроцесорів протягом місяців. Вони використовували ціанобактерії sp. PCC6803, здатні до фотосинтезу.
Генератор має невеликі розміри - 7,5 сантиметра у висоту і 3 в ширину. Він складається з полімерного корпусу з віконцями і двох сталевих пластин з боків для підключення проводів. Всередині розташовується занурені у воду з бактеріями алюмінієві нитки, які виступають в якості аноду. А збоку встановлена газопроникна мембрана і пористий вуглецево-платиновий катод, що контактує з навколишнім повітрям.
Для експерименту автори запитали від генератора плату з мікропроцесором на Arm Cortex M0 +, який часто використовується в мікроконтролерах, наприклад, на його основі працює Raspberry Pi Pico. Для імітації реальної роботи автори завантажили на нього код, який 45 хвилин на годину виконує обчислення, а решта 15 хвилин простоює. Як обчислення вчені вибрали розрахунок суми Гаусса з частотою 10 тисяч разів на секунду. Під час цієї операції процесор споживав 0,3 мікровата.
Під час експерименту, що тривав 27 тижнів, генератор і плата стояли біля вікна в будинку одного з учених. Плата була підключена до мікрокомп'ютера Raspberry Pi, який записував свідчення, а також міг забезпечити харчування за USB у разі, якщо потужності генератора недостатньо. Але за всі шість місяців це сталося лише одного разу, коли вчені самі змоделювали таку ситуацію.
Експеримент показав, що генератор у середньому мав потужність 1,05 мікроват, причому денна і нічна потужність відрізнялася трохи менш ніж удвічі. Вчені розібрали генератор, виявили на аноді наріст і проаналізували його склад. Виявилося, що це суміш з гідроксиду алюмінію і позаклітинного матриксу. Також вони з'ясували, що крім початкового виду ціанобактерій в системі (імовірно через нестерильні умови) з'явилися й інші мікроорганізми, в тому числі електроактивні бактерії пологів і.
Проаналізувавши отримані результати, автори запропонували два механізми роботи генератора. Перший, який вони назвали електрохімічним, бактерії не самі виробляють струм, а створюють умови для окислення алюмінієвого аноду, в результаті чого в ланцюгу з'являється струм. Другий вони назвали біоелектрохімічним. У такому режимі фотосинтезуючі ціанобактерії самі віддають у ланцюг електрони. Ймовірно, обидва режими вносять внесок у роботу генератора, а співвідношення між ними може змінюватися з часом, підсумовують дослідники.
Раніше ми розповідали про інших мікробних електрогенераторів, наприклад, паливний елемент у вигляді тканини або сонячної панелі, надрукованої на грибі, що підвищує виживаність бактерій.