Электричество из морского салата 02.01.2022

Исследователи Техниона - израильского технологического института - разработали новый метод получения электрического тока непосредственно из морских водорослей экологически безопасным и эффективным способом.

Идея, которая впервые пришла в голову докторанту Техниона Яниву Шлосбергу во время купания на пляже, была реализована группой исследователей с трех факультетов Техниона, которые являются участниками Большой энергетической программы Техниона (GTEP), вместе с исследователем из Израильского института океанографии и лимнологии в Хайфе (IOLR).

Как известно, сжигание ископаемых видов топлива приводит к выбросу парниковых газов и других загрязняющих веществ, оказывающих влияние на изменения климата, причем различные формы загрязнения среды происходят на всех этапах добычи, транспортировки, переработки и потребления этих видов топлива. Климатический кризис и проблемы экологии являются движущей силой исследований и поисков альтернативных, чистых и возобновляемых источников энергии. Одним из них является использование живых организмов (например, бактерий) в качестве источника тока в микробных топливных элементах (MFC) и биофотоэлектрические элементы BPEC. Некоторые бактерии обладают способностью передавать электроны, но их нужно постоянно кормить, и некоторые из них являются патогенными.

Альтернативным источником электричества могут быть фотосинтезирующие бактерии, особенно цианобактерии (также известные как сине-зеленые водоросли). Цианобактерии сами получают пищу из углекислого газа, воды и солнечного света, и в большинстве случаев они безвредны - некоторые из них, такие, как "спирулина", вообще считаются "суперпродуктами" и выращиваются в больших количествах.

Исследовательские группы профессоров Ноама Адира и Гади Шустера уже разработали методы применения цианобактерий для получения электрического тока и водородного топлива. Однако у цианобактерий есть и недостатки - они производят меньше тока в темноте, когда нет фотосинтеза, и получаемая от них энергия меньше, чем от обычных солнечных элементов. Поэтому технология BPEC хотя и более экологически чистая, но коммерчески менее привлекательная.

В своей новой работе исследователи из Техниона и IOLR попытались решить эту проблему, используя новый источник фотосинтеза - морские водоросли. Исследованием руководили профессор Ноам Адир и докторант Янив Шлосберг с химического факультета Техниона и GTEP. Они сотрудничали с другими исследователями Техниона: доктором Тунде Тот (химический факультет), профессором Гади Шустером, доктором Давидом Мерии, Нимродом Крупником и Бенджамином Эйхенбаумом (биологический факультет), доктором Омером Иехезкели и Матаном Мейровичем (факультет биотехнологии и пищевой инженерии) и д-ром Альваро Исраэлем из IOLR в Хайфе. Многие виды морских водорослей естественным образом растут на средиземноморском побережье Израиля - особенно ульва (также известная как морской салат), которую в больших количествах выращивают в IOLR для исследовательских целей.

Разработав новые способы соединения водорослей и BPEC, исследователи получили ток, сила которого в 1000 раз превысила ток от цианобактерий, и находится на уровне стандартных солнечных элементов. Профессор Адир отмечает, что такая сила тока объясняется высокой скоростью фотосинтеза морских водорослей и возможностью использовать водоросли в их естественной морской воде в качестве электролита в BPEC. Кроме того, морские водоросли создают ток и в темноте, генерируя примерно 50% силы тока на свету - в темноте источником энергии становится дыхание водорослей, при котором сахара, полученные в процессе фотосинтеза, используются для питания. Как и в случае с цианобактериями, никаких дополнительных химикатов для получения тока не требуется. "Морской салат" выделяет молекулы-посредники для переноса электронов на электрод BPEC, создавая таким образом электрический ток.

Технологии производства энергии на основе ископаемого топлива известны как "углеродно-положительные". Это означает, что в процессе сжигания топлива в атмосферу выделяется углерод. Технологии солнечных батарей известны как "углеродно-нейтральные", и когда они извлекают энергию Солнца, новый углерод действительно не поступает в атмосферу. Однако само производство солнечных элементов и их транспортировка к месту использования во много раз более "углеродно-положительные". Разработанная в Технионе новая технология биоэлектричества является по-настоящему "углеродно-отрицательной" - морские водоросли растут, поглощая атмосферный углерод в течение дня, и выделяя кислород, и только ночью выделяют углерод при дыхании. При этом морские водоросли уже сегодня культивируются в массовом масштабе для пищевой, косметической и фармацевтической промышленности.