Bakterie umożliwią magazynowanie energii w domach? Według Duńczyków to możliwe

Zespół duńskich naukowców z uniwersytetu w Aarhus udowodnił, że cement – najczęściej stosowany materiał budowlany na świecie – może pełnić funkcję nie tylko konstrukcyjną, ale również energetyczną. Duńczycy opracowali w tym celu „żywy” cement – superkondensator wykorzystujący bakterie. 

W pracy opublikowanej w „Cell Reports Physical Science” opisano biohybrydowy superkondensator, w którym bakterie Shewanella oneidensis nadają cementowi zdolność magazynowania energii elektrycznej.

Bakterie jako nośniki energii

Dotychczas cement traktowano jako materiał bierny, ale badacze zaproponowali inne podejście. W matrycę cementu wprowadzono bakterie elektroaktywne, zdolne do wymiany elektronów ze środowiskiem zewnętrznym dzięki mechanizmowi tzw. zewnątrzkomórkowego transferu elektronów. Powstała w ten sposób sieć przewodząca, umożliwiająca gromadzenie i uwalnianie energii elektrycznej.

REKLAMA

Eksperymenty duńskich naukowców potwierdziły, że nawet po obumarciu mikroorganizmów materiał zachowuje zdolność przewodzenia i akumulacji ładunku, co zawdzięcza resztkom biofilmów i nanodrutów białkowych utrzymujących się w strukturze cementu.

Wyniki badania

Biohybrydowy cementowy superkondensator osiągnął gęstość energii 178,7 Wh/kg oraz gęstość mocy 8,3 kW/kg – wartości zdecydowanie przewyższające wcześniejsze cementowe systemy magazynowania i zbliżające się do parametrów niektórych kondensatorów litowo-jonowych. Materiał wykazał również wysoką stabilność cykliczną: po 10 tys. cykli zachował 85% pojemności i około 72% sprawności kulombowskiej.

Kluczowe okazało się stężenie bakterii w matrycy. Przy zawartości 1,2% uzyskano najlepsze wyniki – maksymalną pojemność, długi czas rozładowania i niską rezystancję wewnętrzną. Zbyt małe ilości mikroorganizmów nie zapewniały wystarczającej przewodności, natomiast nadmierne ich zagęszczenie prowadziło do agregacji i ograniczało transport elektronów.

Regeneracja dzięki mikrofluidyce

Nowatorskim elementem projektu jest system regeneracji. W cement wbudowano sieć mikrokanalików, którymi można okresowo podawać pożywkę zawierającą sole, białka, witaminy i czynniki wzrostu. Dzięki temu żywotność mikroorganizmów ulega wydłużeniu, a ich aktywność można przywracać. Badania wykazały, że po zastosowaniu tej metody możliwe jest odzyskanie nawet 80% pierwotnej pojemności.

Naukowcy poddali materiał testom w różnych temperaturach od -15 do 80 st. C. Najwyższą aktywność uzyskano w zakresie optymalnym dla bakterii, czyli 30–37 st. C. Jednak nawet przy niskich temperaturach, typowych dla cykli zamarzania i odmarzania w budownictwie, cement zachował zdolności magazynowania. W warunkach ekstremalnych, gdy mikroorganizmy obumierały, aktywne pozostawały przewodzące biofilmy i sieci białkowe.

REKLAMA

Zastosowania praktyczne i wyzwania

W badaniach laboratoryjnych sześć cementowych bloczków połączonych szeregowo było w stanie zasilić diodę LED. Choć to dopiero dowód koncepcji, to autorzy pracy podkreślają potencjał praktyczny. Według szacunków ściany standardowego pomieszczenia zbudowane z takiego materiału mogłyby zmagazynować około 10 kWh energii – wystarczająco, by zasilić serwer firmowy przez całą dobę.

Technologia może znaleźć zastosowanie w budynkach mieszkalnych, mostach czy fundamentach, które nie tylko pełnią funkcję konstrukcyjną, ale również stają się lokalnymi magazynami energii wspierającymi instalacje fotowoltaiczne i inne odnawialne źródła.
.
.

.

Naukowcy podkreślają, że prace znajdują się na etapie proof-of-concept. Największym wyzwaniem pozostaje długoterminowa stabilność mikroorganizmów w silnie alkalicznym środowisku cementu oraz utrzymanie ich aktywności bez konieczności częstego podawania pożywek. Wskazują też na potrzebę badań nad wpływem mikrostruktury i porowatości na transport jonów oraz nad adaptacją bakterii do różnych warunków środowiskowych.

Jednocześnie wyniki otwierają zupełnie nowy kierunek w inżynierii materiałowej – łączenie funkcji konstrukcyjnych i elektrochemicznych w jednym materiale. To może prowadzić do powstania „żywych” budynków, które same gromadzą energię, albo mostów i infrastruktury zdolnej do zasilania sensorów i systemów monitoringu bez dodatkowych baterii. Więcej na temat opisanego zagadnienia można przeczytać w pracy naukowej pt. „Living microbial cement supercapacitors with reactivatable energy storage”.

Radosław Błoński 

redakcja@gramwzielone.pl

© Materiał chroniony prawem autorskim. Wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy Gramwzielone.pl Sp. z o.o.