Ученые ЛЭТИ напечатали компактную батарею, которую заряжают цианобактерии. Это структура, в основе которой лежит квадратная подложка миллиметровой толщины из полипропилена. Для автономной работы батареи в течение нескольких часов требуются только свет и вода. В перспективе подобные источники энергии могут стать более дешевым и экологичным аналогом аккумуляторов для электроники, сообщили в пресс-службе вуза.
Проект реализовали молодые ученые из ИЦ ЦМИД и кафедры микро- и наноэлектроники (МНЭ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ»: Анна Пудова, Никита Ситков, Иван Мандрик, и другие студенты 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 стал 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», — отметила выпускница факультета электроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Софья Зенкова.
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.
Как рассказали разработчики, 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 — гидрогель, насыщенный водой (80% воды) для поддержания метаболизма бактерий. Таким образом, изготовлено компактное, тонкое и легкое устройство, изолируемое от внешней среды прозрачной полимерной пленкой.
Недавним достижением Софьи Зенковой и Анны Пудовой стала 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», — объяснила Софья Зенкова.
Ученые ЛЭТИ также с помощью электронной микроскопии 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.
