Ανανεώσιμα και αξιόπιστα βιολογικά φωτοκύτταρα

Υπολογισμός που βασίζεται σε φύκια

Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ένα εκτεταμένο είδος γαλαζοπράσινων φυκών για να τροφοδοτήσουν έναν μικροεπεξεργαστή συνεχώς για ένα χρόνο -και μετρώντας- χρησιμοποιώντας τίποτα άλλο εκτός από το φως του περιβάλλοντος και το νερό. Το σύστημά τους έχει τη δυνατότητα να είναι ένας αξιόπιστος και ανανεώσιμος τρόπος για την τροφοδοσία μικρών ηλεκτρονικών συσκευών.

Το σύστημα, το οποίο είναι συγκρίσιμο σε μέγεθος με μια μπαταρία ΑΑ, περιέχει έναν τύπο μη τοξικών φυκών που ονομάζεται σύγχρονος Συλλέγει φυσικά ενέργεια από τον ήλιο μέσω της φωτοσύνθεσης. Στη συνέχεια, το μικρό ηλεκτρικό ρεύμα που παράγει αλληλεπιδρά με ένα ηλεκτρόδιο αλουμινίου και χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία ενός μικροεπεξεργαστή.

Το σύστημα είναι κατασκευασμένο από συνηθισμένα, φθηνά και κυρίως ανακυκλώσιμα υλικά. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί εύκολα να επαναληφθεί εκατοντάδες χιλιάδες φορές για να τροφοδοτήσει έναν μεγάλο αριθμό μικρών συσκευών ως μέρος του Internet of Things. Οι ερευνητές λένε ότι είναι πιθανό να είναι πιο χρήσιμο σε καταστάσεις εκτός δικτύου ή σε απομακρυσμένες τοποθεσίες, όπου μικρές ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να είναι πιο ωφέλιμες.

«Το αυξανόμενο Διαδίκτυο των Πραγμάτων χρειάζεται μια αυξανόμενη ποσότητα ενέργειας και πιστεύουμε ότι αυτό πρέπει να προέρχεται από συστήματα που μπορούν να παράγουν ενέργεια, αντί να την αποθηκεύουν σαν μπαταρίες», δήλωσε ο καθηγητής Christopher Howe από το Τμήμα Βιοχημείας του Πανεπιστημίου του Κέμπριτζ. Συν-ανώτερος συγγραφέας της εργασίας.

Και πρόσθεσε: «Η φωτοσυνθετική μας συσκευή δεν λειτουργεί με τον τρόπο που λειτουργεί μια μπαταρία επειδή χρησιμοποιεί συνεχώς το φως ως πηγή ενέργειας».

Στο πείραμα, η συσκευή χρησιμοποιήθηκε για την τροφοδοσία του Arm Cortex M0+, ενός μικροεπεξεργαστή που χρησιμοποιείται ευρέως σε συσκευές IoT. Λειτουργώντας σε οικιακό περιβάλλον και ημιυπαίθριες συνθήκες υπό φυσικό φως και σχετικές διακυμάνσεις θερμοκρασίας, μετά από έξι μήνες συνεχούς παραγωγής ενέργειας, τα αποτελέσματα υποβλήθηκαν για δημοσίευση.

Η μελέτη δημοσιεύτηκε στις 12 Μαΐου 2022 στο περιοδικό Ενέργεια και Περιβαλλοντικές Επιστήμες.

Ο Δρ Paolo Bombelli από το Τμήμα Βιοχημείας του Πανεπιστημίου του Cambridge, πρώτος συγγραφέας της εργασίας.

Τα φύκια δεν χρειάζεται να τρέφονται, γιατί δημιουργούν τη δική τους τροφή καθώς πραγματοποιούν τη φωτοσύνθεση. Και παρόλο που η διαδικασία της φωτοσύνθεσης απαιτεί φως, η συσκευή μπορεί να συνεχίσει να παράγει ενέργεια σε περιόδους σκότους. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτό συμβαίνει επειδή τα φύκια επεξεργάζονται μέρος της τροφής τους όταν δεν υπάρχει φως και αυτό συνεχίζει να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα.

Το Διαδίκτυο των Πραγμάτων είναι ένα τεράστιο και αναπτυσσόμενο δίκτυο ηλεκτρονικών συσκευών – η καθεμία χρησιμοποιεί πολύ λίγη ενέργεια – που συλλέγει και μοιράζεται δεδομένα σε πραγματικό χρόνο μέσω του Διαδικτύου. Χρησιμοποιώντας τσιπ υπολογιστών χαμηλού κόστους και ασύρματα δίκτυα, πολλά δισεκατομμύρια συσκευές αποτελούν μέρος αυτού του δικτύου – από έξυπνα ρολόγια μέχρι αισθητήρες θερμοκρασίας σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας. Αυτός ο αριθμός αναμένεται να αυξηθεί σε ένα τρισεκατομμύριο συσκευές μέχρι το 2035, απαιτώντας μεγάλο αριθμό φορητών πηγών ενέργειας.

Οι ερευνητές λένε ότι η τροφοδοσία τρισεκατομμυρίων συσκευών IoT με μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν θα ήταν πρακτική: θα χρειάζονταν τρεις φορές περισσότερο λίθιο από αυτό που παράγεται παγκοσμίως ετησίως. Οι συμβατικές φωτοβολταϊκές συσκευές κατασκευάζονται με χρήση επικίνδυνων υλικών που έχουν δυσμενείς περιβαλλοντικές επιπτώσεις.

Το έργο ήταν μια συνεργασία μεταξύ του Πανεπιστημίου του Cambridge και της Arm, μιας κορυφαίας εταιρείας σχεδιασμού μικροεπεξεργαστών. Η Arm Research ανέπτυξε το εξαιρετικά αποτελεσματικό τσιπ δοκιμής Arm Cortex M0+, κατασκεύασε την πλακέτα και ετοίμασε μια διεπαφή cloud για τη συλλογή των δεδομένων που φαίνονται στα πειράματα.

Αναφορά: «Powering a Microprocessor by Photosynthesis» των P. Bombelli, A. Savanth, A. Scarampi, SJL Rowden, D. H. Green, A. Erbe, E. Ozer and C. J. Howe, 12 Μαΐου 2022, Διαθέσιμο εδώ. Ενέργεια και Περιβαλλοντικές Επιστήμες.
DOI: 10.1039 / D2EE00233G

Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Εθνικό Κέντρο Καινοτομίας στα Βιοφίλμ.