Ученые Университета Бингемтона значительно повысили мощность бактериальных биобатарей
Исследователи Университета Бингемтона значительно повысили мощность бактериальных биобатарей, применив 3D-печать анодов из нержавеющей стали. Новый подход объединяет микробиологию и аддитивные технологии на основе лазерного спекания порошка (LPBF) и открывает перспективы для автономных маломощных устройств интернета вещей.
Команда под руководством профессора Сокхиена «Шона» Чои из факультета электротехники и информатики использовала 3D-печатные пористые аноды из нержавеющей стали, изготовленные методом Laser Powder Bed Fusion — область специализации профессора Дехао Лю из машинно-инженерного департамента. Трёхмерная топология анодов оказалась ключевым элементом: для эффективной генерации энергии микробные топливные элементы требуют объёмистых структур, где колонии бактерий могут плотно приживаться, одновременно получая питательные вещества и избавляясь от продуктов метаболизма.
По словам Чои, плоские аноды недостаточно эффективны, а традиционные материалы — углеродные или полимерные конструкции — либо слишком хрупки, либо недостаточно проводящи. Применение LPBF позволило создать прочные, высокопроводящие и настраиваемые микропористые аноды из устойчивой к коррозии стали. Собранная с их помощью система из шести биобатарей выдала почти один милливатт мощности — достаточно для питания небольшого дисплея или датчика, в частности 3,2-дюймового TFT-LCD. Это один из наивысших показателей, достигнутых в рамках проектной линии Чои по биобатареям.
Компоненты выполнены модульно: аноды, корпус и катодные узлы напечатаны и затем собираются по принципу «конструктора», что упрощает масштабирование и обслуживание. Печатные стальные аноды также демонстрируют повторную пригодность: бактериальные культуры можно снимать и загружать вновь без потери рабочих характеристик. В будущем команда планирует оптимизировать технологию так, чтобы все элементы батареи можно было производить в едином печатном цикле.
Параллельно разрабатывается система управления энергией, которая позволит целенаправленно регулировать процессы зарядки и разрядки, аналогично накопительным системам на основе солнечной генерации. Результаты исследования опубликованы в профильном журнале Advanced Energy & Sustainability Research в статье, озаглавленной «Toward Sustainable, High-Performance, and Scalable On-Chip Biopower: Microbial Biobatteries with 3D-Printed Stainless Steel Anodes and Spore-Based Biocatalysts». Авторы отмечают высокий потенциал технологии для автономных электронных систем с самозапиткой, в частности для маломощных датчиков и устройств интернета вещей.
Работа получила поддержку гранта Национального научного фонда США. Один из соавторов и бывший аспирант, Анвар Эльхадад, указывает, что нынешняя разработка вытекает непосредственно из его диссертационных исследований по устойчивым биоэлектронным системам и что сотрудничество с Чои было для него вдохновляющим и интеллектуально стимулирующим.
Разработка наглядно демонстрирует, как биологические процессы и прецизионный металлический 3D-печать могут сочетаться для создания повторяемых, масштабируемых и пригодных к серийному применению биобатарей. Исследователи рассматривают дальнейшие шаги по объединению печатных процессов и внедрению интеллектуального управления энергией, что должно приблизить технологию к коммерческим приложениям в сфере автономных устройств.