Ученые ЛЭТИ напечатали компактную батарею, которую заряжают цианобактерии

Сегодня альтернативная энергетика является одним из наиболее актуальных и перспективных технологических направлений. Альтернативные источники энергии часто являются возобновляемым (т. е. по сути неисчерпаемым) ресурсом. Поэтому они рассматриваются в качестве перспективной замены для традиционных и менее экологичных нефти, природного газа и угля, разведанные запасы которых ограничены. 

В настоящее время, согласно открытым данным доля альтернативных источников энергии (ветровые, солнечные, приливные, геотермальные станции и проч.) превысила 10% от всей мировой генерации электричества. Однако для дальнейшего развития данной отрасли требуется совершенствование технологий получения энергии, снижение прямых или косвенных последствий для экологии от их использования (например, от утилизации компонентов солнечных панелей, в которых содержатся токсичные вещества), а также создание энергоисточников, действующих на новых принципах. 

Один из проектов в данной сфере реализовали молодые ученые из ИЦ ЦМИД и кафедры микро- и наноэлектроники (МНЭ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ»: Анна Пудова, Никита Ситков, Иван Мандрик, ряд студентов бакалавриата и магистратуры под руководством доцента кафедры МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Татьяны Зиминой. Работы проводили при сотрудничестве с Ресурсным центром Санкт-Петербургского университета «Культивирование микроорганизмов» в лице научного сотрудника Дины Снарской. Проект является результатом многолетней работы команды ученых по созданию источника энергии, которую производят бактерии.

«Мы разработали компактный источник энергии – по сути батарейку, в которой в результате жизнедеятельности цианобактерий возникает электричество. Устройство характеризуется высокой экологичностью, поскольку для его автономной работы в течение нескольких часов требуется только свет и вода».

Последняя версия устройства представляет собой многослойную структуру, в основе которой лежит квадратная подложка миллиметровой толщины из обычного полипропилена. Ее размер примерно сопоставим с площадью коробка спичек. На подложку предварительно наносится трафарет, определяющий расположение элементов устройства, и формируются электроды устройства. Их роль выполняют углеродные нанотрубки, которые в составе капли специальных чернил наносятся на подложку с помощью методов струйной печати. Получившиеся электроды являются пористой структурой, удерживающей воду, которую могут потреблять цианобактерии, формирующие следующий слой сэндвич-структуры. Этот слой также наносится на поверхность устройства при помощи методов струйной печати, составляя около 250 микролитров водной питательной среды с культурой микроорганизмов. Причем в устройстве используются известные, широко распространенные цианобактерии рода Synechocystis, культивируемые Диной Снарской в Ресурсном центре СПбГУ. Следующий слой является гидрогелем, насыщенным водой (80% воды) для поддержания метаболизма бактерий. Таким образом, изготовлено компактное, тонкое и легкое устройство, изолируемое от внешней среды прозрачной полимерной пленкой.

Недавним достижением, полученным непосредственно Софьей Зенковой и Анной Пудовой является модификация поверхности электродов углеродной тканью, удерживающей питательную среду для бактерий и повышающей площадь поверхности их контакта с анодом ячейки. Благодаря этому удалось повысить выходное электрическое напряжение в устройстве примерно на 12% до 0,4 В. Это значит, что серия всего из несколько подобных ячеек позволит обеспечить работу обычной светодиодной лампочки (например, в составе светофора). Однако, в настоящее время, автономная работа устройства составляет несколько часов, после чего потребуется обновить слой гидрогеля.

«Сегодня во всем мире и нашей стране огромное внимание уделяется разработке и внедрению экологических систем генерации энергии. Во-первых, по причине ограниченности традиционных углеводородных ресурсов, а во-вторых, из-за негативных последствий для окружающей среды от их активного применения. И в русле этого тренда предложенная нами технология может стать одним из перспективных направлений «зеленой» возобновляемой энергетики будущего, которая, кроме того, воплощена в легком и компактном устройстве. Это значит, что оно может подходить для питания самых разных видов электроники, начиная от гаджетов и заканчивая промышленным оборудованием», – поясняет Софья Зенкова.

Ученые ЛЭТИ продолжат исследования по данной тематике. Так, с помощью электронной микроскопии они выяснили, что существует оптимальное значение плотности углеродной ткани, позволяющее повысить выходную мощность устройства. Оптимальная плотность должна обеспечивать как пространственную комплементарность бактерий и поверхности пористой структуры анода, так и проницаемость для потоков излучения, которыми «питаются» бактерии. Поэтому дальнейшие исследования по данной теме в СПбГЭТУ «ЛЭТИ», в том числе будут направлены на подбор слоев новых материалов и пространственных структур для дальнейшего повышения характеристик биотопливных ячеек.

Разработка велась в русле научно-исследовательской политики программы развития СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Приоритет 2030».