29.07.2025 - Живые аккумуляторы: как сделать работающие на бактериях гаджеты

Микробы уже вырабатывают электричество из сточных вод, но ученые на этом не останавливаются и разрабатывают электронные устройства на «живых батарейках». Получится ли у них — разбирался научный обозреватель Forbes Анатолий Глянцев

Некоторые микроорганизмы можно использовать для получения электроэнергии. Микробы занимаются своими делами — живут, умирают, размножаются — а попутно создают напряжение между электродами. Так работает микробный топливный элемент (МТЭ). Первое такое устройство было создано еще в 1911 году. Тогда это был всего лишь интересный эксперимент. В наше время к идее вернулись с практических позиций.

Электричество из унитаза

Самая перспективная ниша для МТЭ — очистка сточных вод. Биологическая очистка городских стоков применяется давно и повсеместно. Микробы используют нечистоты как пищу, разлагая и перерабатывая их. Но обычно используются микроорганизмы, дышащие кислородом. Для них в систему подается воздух, и на это тратится энергия. Напротив, многие виды «электрических» бактерий не нуждаются в кислороде. К тому же они оставляют после себя в несколько раз меньше илистых осадков, подлежащих захоронению. Таким путем МТЭ экономят энергию по сравнению с традиционными очистителями, да еще и вырабатывают немного сверху. В 2018 году ученые отчитались об эксплуатации системы объемом 1000 л, в течение года очищавшей часть городских стоков. Правда, выработанная установкой электрическая мощность не поражает воображение: от 7 до 60 Вт в разных режимах работы. Но и столь скромный «урожай» с каждой тысячи литров может дать существенную выгоду в масштабах страны. По некоторым оценкам, из суммарного объема сточных вод в одних только США можно извлекать до 17 ГВт, а это установленная мощность нескольких атомных электростанций.

Еще одна перспективная область для МТЭ — создание биологических датчиков чистоты воды. Идея проста и прозрачна: «электрические» микробы питаются органикой, которой в чистой воде очень мало. Можно подобрать или даже создать штамм микроорганизмов, едва выживающий при должном качестве воды. Когда уровень загрязнения повышается, бактерии бурно размножаются, создают электрический ток, и включенный в цепь датчик выдает сигнал тревоги.

Дисплей на бактериях

Технология МТЭ сделала только первые шаги. Множество научных групп экспериментируют с разными микроорганизмами (от бактерий до грибов), материалами и архитектурами «батарейки».

Чтобы проиллюстрировать положение дел в отрасли, разберем недавнюю статью в журнале Advanced Energy and Sustainability Research. Авторов этой работы не интересовали тысячелитровые установки для городского хозяйства. Они штурмовали куда более неуступчивую вершину — создание МТЭ для мобильной электроники.

Ноу-хау исследователей стал материал и конструкция анода — электрода, с которым контактируют бактерии. Авторы сделали его из нержавеющей стали. Это дешевый и прочный материал, который хорошо проводит ток. Исследователи напечатали анод на 3D-принтере из металлического порошка. Благодаря этому электрод стал пористым, обеспечив свое микроскопическое население — бактерии Bacillus subtilis — множеством уютных «домиков».

Новая технология 3D-печати позволяет исследователям управлять микроархитектурой анодов из нержавеющей стали, обеспечивая оптимальные условия для жизнедеятельности бактерий и выработки электричества. (Фото DR)

В результате всех этих ухищрений источник выдал 130 микроватт (мкВт). Соединив шесть МТЭ, экспериментаторы получили мощность почти в милливатт (мВт). Этого оказалось достаточно для 3,2-дюймового жидкокристаллического дисплея. Таким путем авторы продемонстрировали то, что они называют «практической применимостью». Разберемся, может ли эта применимость превратиться в конкурентоспособность.

Ложка дегтя в элементе питания

МТЭ — возобновляемый и экологически чистый источник энергии. Может ли он заменить традиционные одноразовые батарейки или аккумуляторы? Или даже дать электричество какой-нибудь африканской деревне?

Нет, не может, и причина проста: низкая плотность мощности, то есть мощность на единицу объема. В недавнем обзоре перечислено более 20 систем, созданных разными научными группами. Большинство из них вырабатывает менее 10 Вт/м3. Даже устройство с наибольшим указанным значением в 125 Вт/м3 почти бесполезно как бытовой источник энергии. Чтобы запитать 10-ваттную энергосберегающую лампу, нужен бак на 80 л. Получается биотуалет с бесплатным светом, но никак не генератор для домика в лесу.

А что насчет гаджетов? Увы, элемент объемом 1 см3 даст всего 125 мкВт — вдесятеро меньше, чем потребляет лазерная указка. Фотография из разобранной выше статьи хорошо иллюстрирует эту трудность: объем дисплея в несколько раз меньше, чем питающего его блока из шести МТЭ.

Конечно, плотность мощности МТЭ растет по мере развития технологий. С другой стороны, инженеры создают все более экономичную электронику. Не исключено, что эти два тренда однажды пересекутся. Но область пересечения будет очень узкой. Скорее всего, это будут одноразовые устройства вроде медицинских тестов или умной упаковки. Смочить водой полоску с наклеенными спорами бактерий, увидеть цифры на дисплее и выбросить всю конструкцию. Правда, делать одноразовую электронику — очень сомнительная идея в плане заботы об окружающей среде, ради которой все как будто и затевалось. Что же до многоразовых мобильных устройств, то МТЭ вряд ли когда-нибудь заменят банальный литий-ионный аккумулятор.

Постоянный адрес материала - Живые аккумуляторы: как сделать работающие на бактериях гаджеты