Wieści ze świata nauki to cykl tekstów skupiających się na najnowszych doniesieniach naukowo-badawczych z różnorodnych dziedzin. W tekstach tych omawiane są bieżące artykuły publikowane w prestiżowych czasopismach naukowych, a także ich znaczenie dla stanu współczesnej wiedzy. Powszechnie znana jest sentencja autorstwa Newtona, zgodnie z którą to, „co my wiemy, to tylko kropelka. Czego nie wiemy, to cały ocean.” Celem tekstów publikowanych w tym dziale jest przybliżenie czytelnikom właśnie tych kropelek.
Technologie informacyjne i energetyka nieustannie się rozwijają. W ostatnim czasie szczególny rozkwit przeżywały zarówno spintronika i informatyka kwantowa, jak również energetyka wykorzystująca metale ziem rzadkich1. Aktualnie naukowcy stoją u bram nowego przełomu w pozyskiwaniu energii dla celów technologii informacyjnych.
Co mają z tym wspólnego sinice?
W artykule zatytułowanym Powering a Microprocessor by Photosynthesis [Zasilanie mikroprocesora przez fotosyntezę], który w maju 2022 roku ukazał się na łamach czasopisma „Energy & Environmental Science”, autorzy zauważają, że intensywny rozwój urządzeń elektronicznych oraz technologii informacyjnych wiąże się z wykorzystaniem baterii i akumulatorów opartych w znacznej mierze na materiałach niesprzyjających zrównoważonemu rozwojowi oraz kosztownych w uzyskaniu (na przykład pierwiastkach ziem rzadkich). Autorzy proponują więc nowo opracowany system bio-fotowoltaicznego pozyskiwania energii wykorzystujący fotosyntetyczne mikroorganizmy2. Aby skonstruować taki system, wykorzystali aluminiowe elektrody oraz sinice funkcjonujące dzięki procesowi fotosyntezy3. Ten bio-fotowoltaiczny system przypomina baterie paluszki w rozmiarze AA i składa się z niewielkiego pojemnika z aluminium oraz przezroczystego tworzywa sztucznego, wewnątrz którego znajdują się sinice, a ich fotosynteza stanowi źródło energii dla całego układu. Skuteczność tego systemu ma praktyczne potwierdzenie – tak skonstruowane „baterie” zasilały mikroprocesor Arm Cortex M0+ (szeroko stosowany we współczesnej elektronice) w warunkach domowych aż przez sześć miesięcy4.
Kolejnym testem dla tego ekologicznego mikroprocesora były obliczenia sum kolejnych liczb całkowitych. Mikroprocesor pracował w cyklach: 15 minut czuwania, 45 minut pracy, a jego wydajność energetyczna była nieustannie mierzona przez mikrokontroler4.
Jak to działa?
Naukowcy w dwojaki sposób opisali sposób działania tych „baterii”. Prąd elektryczny może być generowany przez algi, a sinice mogą wytwarzać warunki korzystne dla korozji elektrod, w czasie której uwalniane są elektrony – nośniki energii elektrycznej. Niemniej wyjaśnienie w odwołaniu do erozji zostało uznane za mało prawdopodobne ze względu na fakt, że eksperyment przebiegł bez znaczącego pogorszenia stanu elektrody, dlatego też sugeruje się, że to jednak cyjanobakterie odpowiadają za wytwarzanie energii elektrycznej do zasilenia mikroprocesora. Pod wpływem światła słonecznego wytwarzają one tlen w procesie fotosyntezy. Badacze sugerują, że to właśnie ten mechanizm jest głównym generatorem energii we wspomnianych bio-fotowoltaicznych systemach5. Co ciekawe, dostęp do światła nie musi być stały, ponieważ energia jest wytwarzana także w nocy (co najprawdopodobniej związane jest z cyklem Calvina, czyli tak zwaną fazą ciemną fotosyntezy6).
Dalsze perspektywy
Potencjał, jaki drzemie w tym nowym źródle energii, jest ogromny, co ma obecnie niebagatelne znaczenie w perspektywie zagrożenia deficytem energetycznym. Dalszy rozwój technologii bio-fotowoltaicznych może się przyczynić nie tylko do bardziej ekonomicznego gospodarowania zasobami (brak konieczności wykorzystywania metali ziem rzadkich), ale również może stanowić istotny krok w kierunku powstania całkowicie ekologicznych kompaktowych źródeł energii elektrycznej. Znane już są przykłady wykorzystywania mikroorganizmów do rozkładania odpadów z tworzyw sztucznych7, jak również zastosowania DNA jako informatycznych nośników danych8, co pokazuje, że współczesny rozwój technologii opiera się również na mechanizmach biologicznych. Wraz z nowo opracowanymi urządzeniami bio-fotowoltaicznymi wpisuje się to w ideę zrównoważonego rozwoju planety9.
Bartosz Bagrowski
Źródło zdjęcia: Pixabay
Ikonka cyklu: Pixabay
Ostatnia aktualizacja strony: 31.07.2022
Przypisy
- Por. B. Bagrowski, Metale ziem rzadkich a elektrochemiczne wynalazki inżynieryjne – czyli o zwiększeniu efektywności ogniw paliwowych typu PEMFC, „W Poszukiwaniu Projektu” 2021, 29 sierpnia [dostęp 15 VII 2022]; B. Bagrowski, Spintronika, informatyka kwantowa i magnetyzm molekularny, czyli o postępie technologii informacyjnych, „W Poszukiwaniu Projektu” 2021, 12 września [dostęp 15 VII 2022].
- Por. P. Bombelli et al., Powering a Microprocessor by Photosynthesis, „Energy & Environmental Science” 2022, Vol. 15, s. 2529-2536, DOI: 10.1039/D2EE00233G [dostęp 15 VII 2022].
- Por. P. Maksymowicz, Odkrycie nowego potencjału biosyntetycznego sinic, „W Poszukiwaniu Projektu” 2020, 13 września [dostęp 15 VII 2022].
- Por. Bombelli et al., Powering a Microprocessor.
- Por. E. Wilde, Photosynthesis Used to Power a Microprocessor for over Six Months, „ Chemistry World” 2022 [dostęp 15 VII 2022]; University of Cambridge, Powering a Microprocessor by Photosynthesis – Algae-powered Computing: Scientists Create Reliable and Renewable Biological Photovoltaic Cell, „Chem Europe” 2022 [dostęp 15 VII 2022].
- Por. S. Lewak, Fizjologia roślin: Wprowadzenie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009, s. 84.
- Por. B. Bagrowski, Enzymy mikroorganizmów w walce z tworzywami sztucznymi, „W Poszukiwaniu Projektu” 2021, 18 lipca [dostęp 15 VII 2022].
- Por. J. Aron, Glassed-in DNA Makes the Ultimate Time Capsule, „New Scientist” 2015 [dostęp 15 VII 2022].
- Por. B. Bagrowski, Czym jest technosfera? – czyli o nowym podejściu do hipotezy Gai, „W Poszukiwaniu Projektu” 2022, 03 kwietnia [dostęp 15 VII 2022].
Literatura:
- Aron J., Glassed–in DNA Makes the Ultimate Time Capsule, „New Scientist” 2015 [dostęp 15 VII 2022].
- Bagrowski B., Czym jest technosfera? – czyli o nowym podejściu do hipotezy Gai, „W Poszukiwaniu Projektu” 2022, 03 kwietnia [dostęp 15 VII 2022].
- Bagrowski B., Enzymy mikroorganizmów w walce z tworzywami sztucznymi, „W Poszukiwaniu Projektu” 2021, 18 lipca [dostęp 15 VII 2022].
- Bagrowski B., Metale ziem rzadkich a elektrochemiczne wynalazki inżynieryjne – czyli o zwiększeniu efektywności ogniw paliwowych typu PEMFC, „W Poszukiwaniu Projektu” 2021, 29 sierpnia [dostęp 15 VII 2022].
- Bagrowski B., Spintronika, informatyka kwantowa i magnetyzm molekularny, czyli o postępie technologii informacyjnych, „W Poszukiwaniu Projektu” 2021, 12 września [dostęp 15 VII 2022].
- Bombelli P. et al., Powering a Microprocessor by Photosynthesis, „Energy & Environmental Science” 2022, Vol. 15, s. 2529–2536, DOI: 10.1039/D2EE00233G [dostęp 15 VII 2022].
- Lewak S., Fizjologia roślin: Wprowadzenie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009.
- Maksymowicz P., Odkrycie nowego potencjału biosyntetycznego sinic, „W Poszukiwaniu Projektu” 2020, 13 września [dostęp 15 VII 2022].
- University of Cambridge, Powering a Microprocessor by Photosynthesis – Algae–powered Computing: Scientists Create Reliable and Renewable Biological Photovoltaic Cell, „Chem Europe” 2022 [dostęp 15 VII 2022].
- Wilde E., Photosynthesis Used to Power a Microprocessor for over Six Months, „ Chemistry World” 2022 [dostęp 15 VII 2022].