Нові зелені технології генерують електрику «з повітря»

Вчені з Массачусетського університету в Амхерсті розробили пристрій, у якому використовується натуральний білок для створення електрики з вологи у повітрі. За їхніми словами, нова технологія може мати серйозні наслідки для майбутнього відновлюваної енергії, зміни клімату та майбутнього медицини.

Як повідомлялося сьогодні в Nature, лабораторії інженера-електрика Джун Яо та мікробіолога Дерека Ловлі з Університету Массачусетса в Амхерсті створили пристрій, який вони назвали «Генератор повітря», або генератор з пневматичним приводом, з електрично провідними білковими нанопроводами, що виробляються мікробом Geobacter. Air-gen з'єднує електроди з білковими нанопроводами таким чином, що електричний струм генерується з водяної пари, яка природно присутня в атмосфері. 

"Ми буквально виробляємо електрику з повітря", - каже Яо. "Air-gen виробляє чисту енергію 24 години на добу, 7 днів на тиждень". Лавлі, який розробляє екологічно безпечні електронні матеріали на основі біології понад три десятиліття, додає: «Це найдивовижніше та захоплююче застосування білкових нанодротів».

Нова технологія, розроблена в лабораторії Яо, не забруднює навколишнє середовище, є відновлюваною та недорогою. Він може генерувати електроенергію навіть у районах із дуже низькою вологістю, таких як пустеля Сахара. За словами Ловлі, він має значні переваги перед іншими видами відновлюваної енергії, включаючи сонячну та вітрову, тому що на відміну від цих інших відновлюваних джерел енергії Air-gen не вимагає сонячного світла чи вітру та «працює навіть у приміщенні».

Дослідники пояснюють, що пристрою Air-gen потрібно лише тонка плівка з білкових нанодротів товщиною менше ніж 10 мікрон. Нижня частина плівки спирається на електрод, тоді як електрод меншого розміру, який покриває тільки частину плівки нанодроту знаходиться зверху. Плівка адсорбує водяну пару з атмосфери. Комбінація електропровідності та хімічного складу поверхні білкових нанодротів у поєднанні з тонкими порами між нанопроводами всередині плівки створює умови, за яких між двома електродами генерується електричний струм.

Дослідники кажуть, що нинішнє покоління пристроїв Air-gen здатне наводити на дію невелику електроніку, і вони розраховують незабаром довести винахід до комерційного масштабу. Наступні кроки, які вони планують, включають розробку невеликого «патчу» Air-gen, який може живити електронні пристрої, такі як монітори для здоров'я і фітнесу і розумний годинник, що усуне необхідність у традиційних батареях. Вони також сподіваються розробити Air-gens для стільникових телефонів, щоб унеможливити періодичну зарядку.

Яо каже: «Кінцевою метою є створення великомасштабних систем. Наприклад, технологія може бути включена до фарби для стін, яка може допомогти у забезпеченні електроенергією вашого будинку. Або ми можемо розробити автономні генератори із пневматичним приводом, які забезпечують електроенергію від мережі. Я повністю очікую, що коли ми перейдемо до промислового виробництва дроту, ми зможемо створювати великі системи, які зроблять значний внесок у стійке виробництво енергії».

Продовжуючи розвивати практичні біологічні можливості Geobacter, лабораторія Ловлі нещодавно розробила новий штам мікробів для більш швидкого та недорогого виробництва білкових нанодротів. "Ми перетворили E. coli на фабрику з виробництва білкових нанодротів", - говорить він. «Завдяки цьому новому процесу, що масштабується, постачання білкових нанодротів більше не буде вузьким місцем для розробки цих додатків».

За їхніми словами, відкриття Air-gen відбиває незвичайну міждисциплінарну співпрацю. Ловлі виявив мікроб Geobacter в мулі річки Потомак понад 30 років тому. Пізніше його лабораторія виявила його здатність виробляти електропровідні білкові нанодроти. До приходу до Університету Массачусетса в Амхерсті Яо роками пропрацював у Гарвардському університеті, де розробляв електронні пристрої з кремнієвими нанопроводами. Вони поєднали свої зусилля, щоб подивитися, чи можна створити корисні електронні пристрої з білкових нанодротів, зібраних з Geobacter.

Сяомен Лю, доктор філософії. Студент у лабораторії Яо займався розробкою сенсорних пристроїв, коли помітив щось несподіване. Він згадує: «Я бачив, що коли нанодроти контактували з електродами певним чином, пристрої генерували струм. Я виявив, що дія атмосферної вологості була істотною і що білкові нанодроти адсорбували воду, створюючи градієнт напруги на пристрої».

Крім Air-gen лабораторія Яо розробила кілька інших додатків з білковими нанопроводами. "Це тільки початок нової ери електронних пристроїв на основі білків", - сказав Яо.