Дожили: живая батарейка

АрхивЧеловек и Общество

Созданы батарейки-ферментаторы, которые генерируют электричество благодаря окислению органических веществ с помощью ферментов, иммобилизованных на специальных подложках.

Проблема энергообеспечения портативной электроники была весьма актуальна во все времена. Среди прочих в своё время осуществлялись попытки найти решение данной проблемы и методами биотехнологии. Так, в частности, на Компьютерре уже писалось о варианте решения, который пытается реализовать компания Toshiba: так называемые батарейки-ферментаторы, которые генерируют электричество благодаря окислению органических веществ (в конкретном случае спиртов) с помощью ферментов, иммобилизованных на специальных подложках. Данный способ не плох - представленный Toshiba образец топливного элемента, использующий метанол, способен обеспечить работу ноутбука на протяжении 5 часов, расходуя при этом около 50 кубических сантиметров спирта. Технология перспективна, однако на текущий момент имеет по крайней мере один весьма весомый недостаток - стабильность функционирующих ферментов. Как известно, биологические энзимы являются весьма лабильными молекулами, поэтому в организме происходит их постоянное обновление - старые молекулы деградируют, а новые синтезируются. В случае батареек-ферментаторов последняя возможность отсутствует, поэтому вполне очевидно, что топливные элементы, работающие на ферментах, в любом случае имеют весьма ограниченный срок действия. Не исключено, конечно, что со временем срок эффективной работоспособности ферментов будет значительно продлён, однако пока это представляет серьёзную проблему.

Альтернативный, также биотехнологический способ решения проблемы батареек для "портатива" был недавно предложен учёными Массачусетского университета г. Амхерст - Свейдсом Чодхари (Swades Chaudhuri) и Дереком Лавли (Derek Lovley). Суть метода, изложенного на страницах Nature Biotechnology заключается в использовании для генерации электричества не отдельных ферментов, а целых организмов - точнее микроорганизмов, бактерий. Ключевой предпосылкой для создания данной технологии было обнаружение в морских донных отложениях у берегов шт. Виржиния бактерии Rhodoferax ferrireducens.

Данный микроорганизм окисляет углеводороды с выделением углекислого газа и при этом способен передавать электроны, "снимаемые" молекулы сахара, непосредственно на электрод. Поясню: для получения энергии, необходимой для собственной жизнедеятельности, организмы (и это касается всех без исключения) используют энергию электронов, которые движутся от частиц с большей электронегативностью (условно более "энергетических") к частицам с более низким её показателем. Вот этот градиент и "крутит динамку" живой системы, обеспечивая её энергией (которая аккумулируется в высокоэнергетических биомолекулах - АТФ, НАДФ*Н2 и др.)

В случае Rhodoferax ferrireducens донором электронов является молекула сахара, а конечным акцептором - атом метала в окисленной форме (что, собственно, и обозначено в самом видовом латинское названии бактерии, которое указывает на способность восстанавливать металлы). Заслуга учёных заключается в том, что они "предложили" бактерии в качестве конечного акцептора электронов атомы электрода (см. электронную микрофотографию электрода с прикреплёнными клетками). В качестве субстрата R. ferrireducens способна использовать различные углеводороды - глюкозу, фруктозу, сахарозу, а также ксилозу.

Собственно говоря, способность микроорганизмов преобразовать энергию углеводородов в электроэнергию известна учёным уже достаточно давно. И ещё в прошлом году в журнале Science был опубликован материал о другом микроорганизме, способном конвертировать энергию сахаров в электричество, получившем название Geobacter. Однако до последнего времени процент электронов органических соединений, которые удавалось использовать для генерации электрического тока, был весьма невелик - лишь около 10 %. По словам Лавли, им удалось поднять этот показатель более чем до 80 % (по некоторым данным, до 85 %). Теоретически, сообщает учёный, стакана сахара достаточно, чтобы обеспечить работу 60-ваттной лампочки на протяжении 17 часов. С аналогичным расчётом ложки того же сахара должно хватить для 4-дневной работы мобильного телефона.

И, тем не менее, при всех указанных плюсах, процесс генерации электроэнергии с помощью Rhodoferax ferrireducens не лишен известных недостатков. В частности, это касается низкой скорости всего процесса. Пока рассматриваемая технология ещё совсем "сырая", говорить о получении большого количества электроэнергии не приходится. Опытная система, продемонстрированная Чодхари и Лавли, была способна обеспечить работу разве что калькулятора. Поэтому среди приоритетных задач, которые ставят перед собой учёные, является создание электродов, конструкция которых будет способствовать одновременному контакту с их поверхностью большего количества бактериальных клеток. Ожидается, что это позволит ускорить процесс и получить большее напряжение.

На текущий момент предлагаемая технология позиционируется в первую очередь в качестве способа подзарядки батарей в условиях, где обычным способом это сделать дорого или проблематично. Например, Министерство обороны США уже имеет виды на "бактерио-батарейки" для подзарядки подводных приборов-датчиков - сонаров, микрофонов и т.д. Также предполагается, что разработка массачусетских исследователей может стать экологически чистым способом генерации электроэнергии из органических отходов, в особенности, как пишет BBC, для "бедных людей, живущих 'на отшибе'".