Ученые создали устройство, которое генерирует электричество «из воздуха»

Они нашли его на грязных берегах реки Потомак более трех десятилетий назад: странный «осадочный организм», который мог делать то, чего никто никогда не ожидал от бактерий.

Этот необычный микроб, принадлежащий к роду Geobacter, был известен своей способностью производить магнетит в отсутствие кислорода, но со временем ученые обнаружили, что он может создавать и другие вещи, такие как бактериальные нанопроволоки, которые проводят электричество.

В течение многих лет исследователи пытались найти способы с пользой использовать этот природный дар, и в этом году они представили устройство, которое они называют Air-gen. По словам команды, их устройство может создавать электричество из … ну, почти ничего.

«Мы буквально производим электричество из воздуха», — сказал в феврале инженер-электрик Цзюнь Яо из Массачусетского университета в Амхерсте. «Air-gen генерирует чистую энергию 24 часа в сутки».

Заявление может звучать как преувеличение, но недавнее исследование Яо и его команды описывает, как генератор с воздушным приводом действительно может вырабатывать электричество только при наличии воздуха вокруг него. Это все благодаря электропроводящим белковым нанопроволокам, произведенным Geobacter (в данном случае G. serreducens).

Air-gen состоит из тонкой пленки из белковых нанопроводов толщиной всего 7 микрометров, расположенных между двумя электродами.

Пленка нанопроволоки способна адсорбировать пары воды, которые существуют в атмосфере, позволяя устройству генерировать непрерывный электрический ток, проводимый между двумя электродами.

Ученые заявляют, что заряд, создан градиентом влажности, который создает диффузию протонов в материале нанопроволоки.

«Ожидается, что эта диффузия заряда вызовет уравновешивающее электрическое поле или потенциал, аналогичный покоящемуся мембранному потенциалу в биологических системах», — объясняют авторы в своем исследовании.

«Поддерживаемый градиент влажности, который принципиально отличается от всего, что наблюдалось в предыдущих системах, объясняет непрерывное выходное напряжение от нашего нанопроволочного устройства».

Открытие было сделано почти случайно, когда Яо заметил, что устройства, с которыми он экспериментировал, по-видимому, проводили электричество сами по себе.

«Я видел, что когда нанопроволоки контактировали с электродами определенным образом, они генерировали ток», — сказал Яо.

«Я обнаружил, что воздействие атмосферной влажности имеет важное значение, и что белковые нанонити поглощают воду, создавая градиент напряжения».

Предыдущие исследования показали, что выработка гидроэлектрической энергии производится с использованием других видов наноматериалов, таких как графен, но эти попытки в основном производили только короткие импульсы электричества, продолжающиеся всего несколько секунд.

Напротив, Air-gen вырабатывает постоянное напряжение около 0,5 В с током около 17 микроампер на квадратный сантиметр.

Это не так много энергии, но команда заявила, что подключение нескольких устройств может генерировать достаточно энергии для зарядки небольших устройств, таких как смартфоны и другая персональная электроника — и все это без потерь и без использования ничего, кроме влажности окружающей среды (даже в таких сухих регионах, как пустыня Сахара).

«Конечная цель заключается в создании крупномасштабных систем», — сказал Яо, объяснив, что в бедующем можно использовать эту технологию для питания домов с помощью нанопроволоки, встроенной в краску для стен.

«Как только мы перейдем к промышленным масштабам производства проволоки, я полностью ожидаю, что мы сможем создать большие системы, которые внесут существенный вклад в устойчивое производство энергии».

Связанное с этим исследование одного из сотрудников — микробиолога Дерека Ловли, который впервые идентифицировал микробы Geobacter еще в 1980-х годах, — может помочь в этом: генной инженерии других микробов, таких как кишечная палочка, чтобы выполнить тот же трюк в больших масштабах.

«Мы превратили E. coli в фабрику по производству белковых нанопроводов», — сказал Ловли.

Результаты представлены в Nature.

Источники: Фото: (UMass Amherst/Yao and Lovley labs/Ella Maru Studio)