В настоящее время изготовление «экологически дружелюбных» и возобновляемых источников энергии является одной из самых важных проблем человечества. В Инжиниринговом центре микротехнологии и диагностики (ИЦ ЦМИД) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» разрабатывают миниатюрные источники энергии, в которых в качестве альтернативного энергоресурса используют цианобактерии (синезеленые водоросли). По мнению специалистов, эти самые древние на земле организмы являются перспективными компонентами в источниках электроэнергии и могут быть эффективно использованы в биотопливных элементах.
«В качестве биологического объекта использованы два штамма цианобактерий – Anabaena и Synechococcus, которые культивируют в Ресурсном центре Санкт-Петербургского университета. Цианобактерии представляют собой древнейшую многочисленную группу прокариотических (т. е. лишенных ядра) микроорганизмов, обладающих бактериальной структурой клеток. Это единственные прокариоты, которые способны использовать солнечный свет в качестве энергии, воду – как донора электронов, а воздух – как источник углерода. Именно это определило ботаническое название – синезеленые водоросли. Их отличительной особенностью является способность к кислородному фотосинтезу, что обеспечило рост кислорода на Земле ~ 2,3 миллиарда лет назад. Этим обосновано наше решение использовать в разработке именно эти широко распространенные в природе микроорганизмы».Инженер ИЦ ЦМИД СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Анна Пудова
Разработчики создали модель биотопливного элемента для фотогенерации электричества на основе цианобактерий и провели ее испытания. Целью ученых стало конструирование и оптимизация параметров наноструктурированных анодов, на которые осаждаются микроорганизмы. Учеными протестированы различные типы анодов на основе стеклоуглерода, углекартона, углеродного войлока. Проведено сравнительное исследование эффективности выработки энергии при использовании различных штаммов цианобактерий. Эффективность разработанной топливной ячейки с Synechococcus оказалась выше эффективности ячейки с Anabaena в 1,3 раза. Максимальная эффективность составила 183 мВт/м2 с использованием гибридного углеродного анода. В результате научных работ сделан вывод: штамм Synechococcus наиболее эффективен среди сравниваемых штаммов.
«Зависимость разности потенциалов между анодом и катодом от интенсивности освещения позволяет сделать вывод, что этот эффект возникает в топливном элементе благодаря присутствию цианобактерий. Например, во время эксперимента при облучении видимым светом в течение 1 часа потенциал увеличивается от 75 до 175 мВ, а затем в темноте снижается до 110 мВ через 15 мин. Это показывает, как цианобактерии реагируют на свет. Испытания различных модификаций углерода в качестве анода показали, что углеродный войлок является наиболее подходящим материалом для изготовления биоанода, благодаря наиболее высокой удельной площади его поверхности».Инженер ИЦ ЦМИД СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Анна Пудова
В настоящее время учеными ЛЭТИ ведется активная работа по повышению эффективности биотопливного элемента. Поставлены задачи: усовершенствовать конструкцию ячейки, расширить выбор используемых материалов для изготовления анода и найти еще более эффективные штаммы.
Работа направлена на реализацию задач приоритетного направления развития науки, технологий и техники в РФ «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика». Результаты исследования позволят создавать альтернативные источники энергии на основе восполнимых ресурсов, не загрязняющих окружающую среду. Помимо получения электроэнергии, цианобактерии могут стать средством для утилизации углекислого газа и выработки кислорода. Поэтому разработка ученых ЛЭТИ логично вписывается в национальный проект «Экология», одной из целей которого является кардинальное снижение уровня загрязнения атмосферного воздуха в крупных промышленных центрах. О своей разработке ученые рассказали в статье «Miniature BioFuel Cell For Photogeneration Of Electricity Based On Cyanobacteria», опубликованной в сборнике материалов Международной конференции молодых ученых в области электротехники и электроники 2020 EIConRus.