Rozsdamentes acélból készült biológiai energiaellátó rendszer – A titok nyitja: baktériummeghajtás.

A kutatók felfedezték a titkos összetevőt egy innovatív, baktériumok által működtetett energiarendszerhez. Ennek a forradalmi megoldásnak az a célja, hogy kisméretű, önálló működésű eszközöket lásson el energiával, amelyek az IoT rendszerek révén folyamatosan jelen vannak életünk minden szegletében.

Seokheun Choi, a Binghamtoni Egyetem professzora, már több mint egy évtizede foglalkozik baktériumok által működtetett biotápegységek fejlesztésével. Minden egyes új verziót a korábbi tapasztalatok fényében finomít, és azt tapasztalja, hogy a lehetőségek tárháza szinte végtelen, míg a megfelelő anyagokból hiány mutatkozik. Ezt a kihívást azonban sikerült megoldania, együttműködve más kutatókkal.

Az amerikai felsőoktatási intézmény hivatalos nyilatkozata alapján a baktériummeghajtású biológiai tápegységek zavartalan működéséhez elengedhetetlenek a különleges rozsdamentes acél komponensek.

Dehao Liu, a Watson Gépészmérnöki Tanszék adjunktusa, nagyszerű együttműködő partnerre lelt a lézeres porágyas fúziós (LPBF) technológia terén. Liu szakértelme révén sikerült megoldani egy olyan problémát, amely korábban szinte áthidalhatatlannak tűnt, így most 3D nyomtatással komplex geometriájú mikroarchitektúrák készülhetnek rozsdamentes acélból. "Ezek a struktúrák elengedhetetlenek a felület maximalizálásához és az energiasűrűség növeléséhez" – hangsúlyozta Liu. A témáról készült tanulmány új biotápegységeket javasol, amelyek ideálisak lehetnek apró, autonóm eszközök, például IoT szenzorok energiaellátására.

A biotápegységek működésének kulcsfontosságú elemei az endospórák, amelyek az elektromos áramot generáló reakciók üzemanyagául szolgálnak. Ezek a baktériumok, amelyek nyugalmi állapotban várakoznak, rendkívül ellenállóak a különböző környezeti stresszfaktorokkal szemben, és csak akkor lépnek működésbe, amikor a körülmények ideálisak számukra.

A rendszer három alapvető komponensből tevődik össze: a pozitív elektróda (katód), a negatív elektróda (anód), és egy ioncserét biztosító membrán. Az anód háromdimenziós struktúrája különösen előnyös, mivel lehetővé teszi a baktériumok hatékony szaporodását még korlátozott térben is.

Két évvel ezelőtt kezdtük el rozsdamentes acélhálót alkalmazni anódként, mivel rendkívül kedvező a vezetőképessége, és szerkezetileg is robusztus - számolt be Choi. Ugyanakkor hozzátette, hogy a kereskedelmi forgalomban elérhető hálók nem teszik lehetővé a pórusméret és az érdesség precíz szabályozását. Ekkor lépett színre az LPBF technológia, amely lehetőséget biztosít arra, hogy lézerrel nanométeres pontossággal hozzanak létre 3D struktúrákat fémporrétegekből. A megoldás annyira sikeresnek bizonyult, hogy Choi csapata más alkatrészeket is 3D nyomtatással állított elő, például tömítőfedelet és katódot, amelyeket LEGO-szerűen illesztettek össze.

Az új biotápegységek rugalmasan, soros vagy párhuzamos kapcsolásban egyaránt használhatók. Hat egység együtt körülbelül 1 milliwatt teljesítményt biztosít, ami elegendő ahhoz, hogy egy 8,1 cm-es TFT-LCD kijelzőt működtessünk.

Choi elárulta, hogy a rozsdamentes acél alkatrészeknek van egy további előnye. "Leválaszthatók róla a baktériumok, amelyeket aztán újra lehet használni, és megmutattuk, hogy több használat után is megmarad a teljesítményszint."

A kutatócsoport ambiciózus terve, hogy egy átfogó 3D-nyomtatási megoldást dolgozzon ki, amely lehetővé teszi a biotápegység minden egyes komponensének egyidejű előállítását, ahelyett, hogy azokat külön-külön készítenék el. Továbbá, céljuk egy innovatív energiahasznosító rendszer kifejlesztése is, amely hasonlóan működik, mint a napelemes rendszerek, és képes hatékonyan szabályozni a töltési és kisütési folyamatokat.