Ученые из Университета Британской Колумбии в г. Ванкувер
(Канада) создали прототип топливной батареи на базе дрожжевых бактерий. Такие
батареи могут питаться глюкозой из человеческой крови, так что их можно
использовать для неограниченного по времени питания аппаратуры, вживленной в
тело человека, например кардиостимуляторов. В ходе демонстрации была показана
работа батареи от капли плазмы человеческой крови.
Авторами топливной батареи на основе дрожжевых бактерий
стали профессор Мю Чи Ао (Mu Chiao) и аспирант Чин Панг Билли-Сью (Chin-Pang-Billy
Siu). Вместо традиционного подхода к извлечению электричества с помощью
дорогостоящих высокотемпературных катализаторов вроде платины, ученые
использовали органические катализаторы – ферменты, они же энзимы, которые
вырабатываются внутри живых клеток. Чтобы извлекать из молекул жидкости
электроны, создавая электрический ток, авторы использовали специальное
химическое вещество, так называемый «медиатор электронов», которое может
проходить сквозь клетки бактерии, захватывать электроны и выходить наружу.
Для изготовления корпуса был использован полимер под
названием полидиметилсилоксан (PDMS - polydimethylsiloxane). Внутри корпуса
толщиной 1,4 мм и площадью 15 кв. мм помещена колония бактерий вида Saccharomyces cerevisiae (пивные, или пекарские дрожжи). В качестве медиатора электронов
используется метил синий - вещество, которое часто используется в биохимии для
окрашивания биологических образцов. Молекулы метила синего захватывают
электроны, которые возникают при переработке глюкозы человеческой крови внутри
дрожжевой бактерии. Захваченные электроны доставляются на анод, создавая
небольшой электрический ток. На противоположной плоскости батареи, которая представляет
собой катод, происходит реакция соединения ионов водорода, выходящих из клеток
дрожжевых бактерий, с кислородом – в результате образуется обычная вода. Чтобы
уменьшить площадь электродов, повысив выходную мощность батареи, разработчики
использовали технологию протравки кремниевой подложки, которая формирует на
поверхности электрода множество «микростолбиков» (micropillars) высотой 8
микрометров с площадью сечения около 40 микрометров.
Вырабатываемая мощность изготовленного прототипа «дрожжевой»
топливной батареи составляет около 40 наноВатт. Для сравнения - батарейка
наручных часов выдает порядка 1 микроватта мощности – это в 25 раз больше.
Полученные показатели позволяют надеяться, что такую батарею в сочетании с
накопителем энергии можно будет использовать для питания кардиостимуляторов и
интраспинальных электродов, вживляемых для лечения парализованных пациентов.
Если производство подобных батарей встанет на поток, пациентам с вживленными
стимуляторами больше не придется регулярно ложиться под нож хирурга для замены
батарей. Еще одну возможность для повышения эффективности бактериальных
топливных батарей ученые видят в генной модификации используемых бактерий.
Несмотря на серьезный прогресс в развитии бактериальных
топливных батарей, который демонстрирует работа Мю Чи Ао и Чин Панг Билли-Сью,
остается множество нерешенных проблем. Например, до сих пор непонятно, куда
выводить продукты жизнедеятельности бактерий, чтобы они не попадали в кровь из
батареи, вживленной в тело человека.
Подробнее о топливной батарее на основе пивных дрожжей,
созданной канадскими учеными, можно прочитать в статье
журнала New Scientist.
|
