Одной из больших проблем с устойчивыми энергетическими системами является то, как хранить электроэнергию, вырабатываемую ветром, солнцем и волнами. В настоящее время ни одна из существующих технологий не обеспечивает крупномасштабное хранение и извлечение энергии для устойчивой энергетики с низкими финансовыми и экологическими затратами.
Искусственные электроактивные микробы могут быть частью решения; эти микробы способны заимствовать электрон из солнечного или ветрового электричества и использовать энергию для расщепления молекул углекислого газа из воздуха. Затем микробы могут использовать атомы углерода для производства биотоплива, такого как изобутанол или пропанол, которые можно сжигать в генераторе или добавлять, например, в бензин.
«Мы считаем, что биология играет важную роль в создании устойчивой энергетической инфраструктуры», - сказал Баз Барстоу, доцент кафедры биологической и экологической инженерии Корнельского университета. «Некоторые роли будут второстепенными, а некоторые - главными, и мы пытаемся найти все те места, где биология может работать».
Барстоу является ведущим автором книги «Хранение электроэнергии с помощью инженерных биологических систем», опубликованной в Journal of Biological Engineering.
Добавление электроинженерных (синтетических или небиологических) элементов может сделать этот подход еще более продуктивным и эффективным, чем использование только микробов. В то же время наличие большого количества вариантов также создает слишком много инженерных решений. Исследование предоставляет информацию для определения наилучшего дизайна, основанного на потребностях.
«Мы предлагаем новый подход, при котором мы объединяем биологическую и небиологическую электрохимическую инженерию, чтобы создать новый метод хранения энергии», - сказал Фаршид Салимиджази, аспирант лаборатории Барстоу и первый автор статьи.
Естественный фотосинтез уже предлагает пример хранения солнечной энергии в огромных масштабах и превращения ее в биотопливо в замкнутом углеродном цикле. Он захватывает примерно в шесть раз больше солнечной энергии в год, чем вся цивилизация использует за то же время. Но фотосинтез действительно неэффективен при сборе солнечного света, поглощая менее одного процента энергии, попадающей на фотосинтезирующие клетки.
Электроактивные микробы позволяют нам заменить биологический сбор света фотоэлектрическими элементами. Эти микробы могут поглощать электричество для своего метаболизма и использовать эту энергию для преобразования CO2 в биотопливо. Этот подход показывает большие перспективы для производства биотоплива с более высокой эффективностью.
Электроактивные микробы также позволяют использовать другие виды возобновляемой электроэнергии, а не только солнечную, для питания этих преобразований. Кроме того, некоторые виды искусственных микробов могут создавать биопластики, которые можно закапывать, тем самым удаляя углекислый газ (парниковый газ) из воздуха и изолируя его в земле. Бактерии могут быть сконструированы так, чтобы обратить процесс вспять, превращая биопластик или биотопливо обратно в электричество. Все эти взаимодействия могут происходить при комнатной температуре и давлении, что важно для эффективности.
Авторы отмечают, что небиологические методы использования электричества для фиксации углерода (ассимилирование углерода из CO2 в органические соединения, такие как биотопливо) начинают соответствовать и даже превосходить возможности микробов. Однако электрохимические технологии не подходят для создания сложных молекул, необходимых для биотоплива и полимеров. Можно создать искусственные электроактивные микробы, способные превращать эти простые молекулы в гораздо более сложные.
Комбинации искусственных микробов и электрохимических систем могут значительно превзойти эффективность фотосинтеза. По этим причинам, по мнению авторов, конструкция, объединяющая две системы, предлагает наиболее многообещающее решение для хранения энергии.
«Исходя из проведенных нами расчетов, мы думаем, что это определенно возможно», - сказал Салимиджази.
Документ включает данные о производительности биологических и электрохимических конструкций для фиксации углерода. Нынешнее исследование «впервые собрало в одном месте все данные, необходимые для сравнения эффективности всех этих различных способов фиксации углерода», - сказал Барстоу.
В будущем исследователи планируют использовать собранные данные, чтобы протестировать все возможные комбинации электрохимических и биологических компонентов и найти наилучшие комбинации из стольких вариантов.