3D-печатная грибная топливная ячейка предлагает биоразлагаемое решение для получения энергии

Батарея, которой нужно кормить, а не заряжать? Именно это удалось создать исследователям из Empa с помощью их биоразлагаемой грибной батареи, напечатанной на 3D-принтере. Эта живая батарея может обеспечивать энергией датчики для сельского хозяйства или исследований в удаленных регионах. После завершения работы она переваривает себя изнутри. Исследование опубликовано в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering. Грибы, более тесно связанные с животными, чем с растениями, представляют собой огромную разновидность.

Здесь можно найти все: от съедобных грибов до плесени, от одноклеточных организмов до самого большого живого организма на Земле, от болезнетворных патогенов до супергероев, производящих лекарства. Теперь исследователи Empa заставили грибы проявить еще одну способность: вырабатывать электричество. В рамках трехлетнего исследовательского проекта ученые из лаборатории целлюлозы и древесных материалов Empa разработали функционирующую грибную батарею.

Живые клетки не производят много электричества, но их достаточно, чтобы, например, питать температурный датчик в течение нескольких дней. Такие датчики используются в сельском хозяйстве и экологических исследованиях. Главное преимущество грибной батареи: в отличие от обычных батарей, она не только полностью нетоксична, но и биоразлагаема. Грибы из принтера Строго говоря, эта ячейка не является батареей, а так называемой микробной топливной ячейкой.

Как и все живые организмы, микроорганизмы превращают питательные вещества в энергию. Микробные топливные элементы используют этот метаболизм и захватывают часть энергии в виде электричества. До сих пор их в основном питали бактерии. "Впервые нам удалось объединить два типа грибов, чтобы создать функционирующую топливную ячейку", — говорит исследователь Empa Каролина Рейес. Метаболизмы двух видов грибов дополняют друг друга: на анодной стороне находится дрожжевой гриб, чьи метаболические процессы высвобождают электроны.

Катод заселен грибом белой гнили, который производит особый фермент, позволяя захватывать электроны и проводить их из ячейки. Грибы не "сажаются" в батарею, а являются неотъемлемой частью ячейки с самого начала. Компоненты грибной батареи производятся с использованием 3D-печати. Это позволяет исследователям структурировать электроды таким образом, чтобы микроорганизмы могли максимально легко получать питательные вещества. Для этого грибы смешиваются с чернилами для печати.

"Само по себе найти материал, в котором грибы растут хорошо, — это уже вызов", — говорит Густав Нистрем, руководитель лаборатории целлюлозы и древесных материалов. "Но чернила должны быть еще и такими, чтобы их можно было легко экструзировать, не убив клетки, и, конечно, они должны быть проводящими и биоразлагаемыми". Благодаря обширному опыту лаборатории в области 3D-печати мягких био-материалов, исследователи смогли создать подходящие чернила на основе целлюлозы. Грибные клетки могут даже использовать целлюлозу в качестве питательного вещества, что помогает разложить батарею после ее использования.

Однако их предпочтительное питательное вещество — простые сахара, которые добавляются в батарейные ячейки. "Грибные батареи можно хранить в высушенном виде и активировать на месте, просто добавив воду и питательные вещества", — говорит Рейес. Несмотря на то, что устойчивые грибы переживают такие сухие фазы, работа с живыми материалами поставила перед исследователями ряд сложных задач. Этот междисциплинарный проект объединяет микробиологию, материаловедение и электротехнику.

Чтобы охарактеризовать грибные батареи, квалифицированному микробиологу Рейес пришлось не только освоить методы электрохимии, но и адаптировать их для чернил 3D-печати. Теперь исследователи планируют сделать грибную батарею более мощной и долговечной, а также искать другие виды грибов, которые могут быть подходящими для выработки электроэнергии. "Грибы до сих пор недостаточно изучены и мало используются, особенно в области материаловедения", — соглашаются Рейес и Нистрем.

• Колебания доменных стенок в 2D материалах раскрывают новый механизм сверхпроводимости
• IBM ускоряет обучение ИИ на скорости света при минимальном энергопотреблении
• Учёные впервые визуализировали форму одиночного фотона
• Солнечная система для зарядки электромобилей
• Крупнейший электрический самолёт взлетит в 2025 году
• ДНК-биочернила открывают новые горизонты для 3D-печати кровеносных сосудов
• Исследователи улучшили эффективность и долговечность солнечных элементов
• Тёмная материя: Как камера отслеживает невидимое