Ученые создали экологически чистую технологию, которая может генерировать электричество "из воздуха"

Как сообщили в Nature, в лаборатории инженера-электрика Цзюня Яо и микробиолога Дерека Ловли из UMass Amherst создали устройство, которое они называют «Air-gen» или пневматический генератор с электропроводящими белковыми нанопроволоками, произведенными микробом Geobacter. Air-gen соединяет электроды с белковыми нанопроводами таким образом, что электрический ток генерируется водяным паром, естественно присутствующим в атмосфере.

«Мы буквально производим электричество из воздуха», - говорит Яо. «Air-gen генерирует чистую энергию 24 часа в сутки». 

Ловли, который более трех десятилетий разрабатывает электронные материалы на основе устойчивой биологии, добавляет: 

«Это самое удивительное и захватывающее применение белковых нанопроводов».

Новая технология, разработанная в лаборатории Яо, является экологически чистой, возобновляемой и недорогой. Прибор может генерировать электроэнергию даже в районах с чрезвычайно низкой влажностью, таких как пустыня Сахара. По словам Ловли, он обладает значительными преимуществами по сравнению с другими видами возобновляемой энергии, в том числе солнечной и ветровой, поскольку, в отличие от других источников возобновляемой энергии, Air-gen не требует солнечного света или ветра, и «он даже работает в помещении».

Исследователи объясняют, что для устройства Air-gen требуется только тонкая пленка белковых нанопроводов толщиной менее 10 микрон. Нижняя часть пленки опирается на электрод, в то время как меньший электрод, который покрывает только часть пленки нанопроволоки, находится сверху. Пленка адсорбирует водяной пар из атмосферы.

Комбинация электропроводности и химического состава поверхности белковых нанопроводов в сочетании с мелкими порами между нанопроводами в пленке создает условия, которые генерируют электрический ток между двумя электродами.

Ученые говорят, что нынешнее поколение устройств Air-gen способно питать малую электронику, и они рассчитывают вскоре вывести изобретение на коммерческий уровень. Следующие шаги, которые они планируют предпринять, включают разработку небольшого «патча» Air-gen, который может питать электронные носимые устройства, такие как мониторы здоровья и фитнеса, а также умные часы, что устранит потребность в традиционных батареях. Они также надеются разработать Air-gens для мобильных телефонов, чтобы исключить периодическую зарядку.

Яо говорит: 

«Конечная цель - создать крупномасштабные системы. Например, эта технология может быть включена в краску для стен, которая может помочь в питании вашего дома. Или мы можем разработать автономные генераторы с пневматическим приводом, которые будут подавать электричество. Как только мы перейдем к промышленным масштабам производства проволоки, я полностью ожидаю, что мы сможем создать большие системы, которые внесут существенный вклад в устойчивое производство энергии».

Продолжая развивать практические биологические возможности Geobacter, лаборатория Ловли недавно разработала новый микробный штамм для более быстрого и недорогого массового производства белковых нанопроводов. 

«Мы превратили E.coli в фабрику по производству белковых нанопроводов», - говорит он. «Благодаря этому новому масштабируемому процессу, поставки белковых нанопроводов больше не будут уязвимым местом для разработки этих приложений».

Открытие Air-gen отражает необычное междисциплинарное сотрудничество, говорят исследователи. Ловли обнаружил микроба Geobacter в грязи реки Потомак более 30 лет назад. Позднее его лаборатория обнаружила его способность производить электропроводящие белковые нанопроволоки. До прихода в UMass Amherst Яо годами работал в Гарвардском университете, где он разрабатывал электронные устройства с кремниевыми нанопроводами. Они объединили свои усилия, чтобы посмотреть, можно ли создать полезные электронные устройства из белковых нанопроводов, собранных у Geobacter.

Сяомен Лю, доктор философии в лаборатории Яо разрабатывал сенсорные устройства, когда заметил что-то неожиданное. Он вспоминает: 

«Я видел, что, когда нанопроволоки определенным образом контактировали с электродами, устройства генерировали ток. Я обнаружил, что воздействие атмосферной влажности является существенным и что белковые нанопроволоки адсорбируют воду, создавая градиент напряжения на устройстве».

В дополнение к Air-gen лаборатория Яо разработала несколько других приложений с белковыми нанопроводами, пишет phys.org. 

«Это только начало новой эры электронных устройств на основе белка», - сказал Яо.