Как бактериальные споры стали источником энергии

Как бактериальные споры стали источником энергии

Озгур Сахин (Ozgur Sahin) из Института Висса (США) предлагает использовать распространённую в почве бактерию Bacillus subtilis для... генерации электричества. Процесс высыхания B. subtilis до спящей споры, во время которого всё и будет происходить, довольно быстро обратим, поскольку эти существа при простом добавлении воды возвращаются в исходное состояние. Но как из всего этого извлечь электричество?

Стоит заметить, что открытие было сделано отчасти случайно. Г-н Сахин и его команда, соорудив крохотную гибкую кремниевую пластинку, вымочили её в водном растворе, содержащем споры бактерии. То есть поначалу учёные вовсе не собирались извлекать таким экзотическим способом энергию: им всего лишь казалось, что изменения будут достаточными, чтобы с помощью специально модифицированного атомно-силового микроскопа измерить силу, с которой процесс высыхания воздействует на бактерии и поверхность под ними.

Однако ещё до помещения пластинки под микроскоп она вдруг свернулась, наподобие «вещей рыбки». Когда же г-н Сахин подышал на неё, она снова развернулась (вы правы, в его дыхании была влага). «Я понял, что речь идёт о весьма мощном эффекте», — вспоминает Озгур.

Насколько именно мощном? По расчётам учёного, такая гибкая пластинка при переходе от влажности воздуха сухого дня к влажности дня туманного выдаёт в 1 000 раз больше силы, чем человеческий мускул на единицу веса. И это вдесятеро больше, чем материалы, используемые в нынешней робототехнике для создания актуаторов! Учёные свидетельствуют: после намокания 450 г спор этих бактерий «произведут» достаточно энергии, чтобы поднять автомобиль на метр над землей.

Дальнейшие эксперименты показали, что для «бактериальных актуаторов» резина и эффективнее, и дешевле кремния:

Spores Bending Latex Sheet A from Wyss Institute on Vimeo.

Причём даже простейшая опытная модель, сделанная из конструктора «ЛЕГО», показала возможность генерирования электричества посредством вращения магнита, управляемого рычажком, который двигается туда-сюда вслед за быстрыми изменениями влажности.

Само собой, КПД такой установки невысок (впрочем, если бы вы сделали модель ДВС или паровой машины из «ЛЕГО», их эффективность вряд ли была бы выше). Кроме чисто механического, инженерного совершенствования модели, г-н Сахин полагает перспективным и генетическое модифицирование почвенных бактерий с целью обретения их спорами большей жёсткости и эластичности. Первая линия мутантных B. subtilis уже выведена и доказала, что способна хранить вдвое больше энергии на единицу веса, чем обычные бактерии, использовавшиеся на старте экспериментов.

«Солнечная и ветровая энергетика довольно резко меняют свою выработку, когда солнце не светит, а ветер не дует, — говорит Дон Ингбер (Don Ingber) из Института Висса. — Если изменения во влажности могут быть эффективно использованы для генерации электричества более крупными версиями таких устройств, это откроет более лёгкий доступ к новым источникам возобновляемой энергии».

Среди прочего на Земле есть ряд биогеоценозов, где влажность с высокой периодичностью меняется на протяжении суток (приливная зона и т. д.), и, в теории, тамошние бактериальные актуаторы могут быть использованы не для хранения энергии, а для её прямой первичной генерации.



Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Nanotechnology.

Подготовлено по материалам Института Висса.