Установку, генерирующую электроэнергию в процессе очистки сточных вод, разрабатывают в Национальном исследовательском Иркутском государственном университете
В ее основе лежат микробные топливные элементы, работающие за счет способности микроорганизмов, окисляющих органику, производить поток электронов. Пока мощности, которое выдает собранное аспирантом устройство, недостаточно для промышленного использования, однако конструкцию «батарейки на микробах» обещают доработать.
Заголовок кажется невероятным только на первый взгляд и только тем, кто не следит за новостями робототехники. Специалистам же давно известна особенность некоторых микроорганизмов в определенных условиях генерировать электрический ток. «Принцип технологии микробных топливных элементов заключается в том, что микроорганизмы, окисляя органические субстраты, производят поток электронов, — объясняет аспирант кафедры водоснабжения, водоотведения, охраны и рационального использования водных ресурсов НИ ИрГТУ Алексей Лапковский. — Этот поток за счет разницы окислительно-восстановительных потенциалов устремляется по проводнику, создавая электрический ток». «Батарейка» состоит из анодной и катодной камеры, разделенной мембраной, которая способна пропускать протоны от анода к катоду. В анодной камере, где нет кислорода, находятся микроорганизмы и питательная среда — например, органические отходы. Бактерии расщепляют субстрат на углекислый газ, протоны и электроны, а поскольку нет доступа кислорода, то вместо образования воды (как это происходит на открытом воздухе) они передают отрицательно заряженные электроны положительно заряженному аноду. В свою очередь протоны через мембрану направляются в катодную камеру. К катоду за счет разности потенциалов движутся и электроны. В итоге получаем направленное движение частиц — электрический ток — и воду, которая образуется за счет восстановления кислорода в катодной камере.
«Техническая реализация данного принципа стала возможна благодаря развитию в последнее время технологии протонообменных мембран, а также открытиям, связанным с получением чистых культур микроорганизмов-электрогенов», — отмечает Лапковский.
Впрочем, первый микробный топливный элемент появился еще в 1931 году. Устройство, созданное американским изобретателем Барни Коханом, выдавало ток силой всего лишь 2 мА. Однако начало было положено, и через 60—70 лет технологию начали развивать. В июле 2000 года Стюарт Уилкинсон из Университета Южной Флориды представил робота на колесном ходу под названием Chew-Chew (на русский можно перевести как «Жуй-Жуй»), работающего на микробном топливном элементе, в котором бактерии разлагают любую еду. Для демонстрации использовали сахар-рафинад, однако изобретатель отмечал, что лучше всего в качестве источника энергии подходит мясо. Энергии, которую выдавала топливная ячейка, было достаточно лишь для того, чтобы подзаряжать батареи робота, который начинал двигаться только по окончании зарядки.
Ученые из Бристольской робототехнической лаборатории добились несколько больших успехов: серия созданных ими роботов под названием Eco-Bot уже была способна самостоятельно передвигаться в поисках «питания», в роли которого выступали сахар, насекомые и гнилые фрукты. Однако существовала проблема: топливный элемент все еще не отличался высоким КПД, вдобавок электроды вступали в реакцию с продуктами ферментации, что снижало выработку тока. Между тем ученые разрабатывали устройства, работающие на других источниках питания. Заслуженный профессор Вили Верстрет с коллегами из лаборатории микробной экологии и технологии Университета Гента (Бельгия) в 2006 году представил установку, работающую на сточных водах. Ее мощность составляла уже 258 Вт на 1 кубометр, при этом напряжение достигло 2,02 В, а сила тока — 255 мА.
Ученые из НИ ИрГТУ и Научно-исследовательского института биологии Иркутского государственного университета пока не могут похвастать такими результатами. Однако мощности созданной ими топливной ячейки уже достаточно для того, чтобы зажечь лампочку накаливания. Напряжение, которое оно выдает, может составлять 1,4 В и выше. «Полученной мощности недостаточно для промышленного использования, — признает Лапковский. — Главный минус пока в том, что электричество накапливается в ходе всей очистки неравномерно. Если мы добавляем свежую порцию стоков, уровень энергии сначала падает, а затем начинает постепенно возрастать». Тем не менее, он и его коллеги намерены «стабилизировать этот процесс, возможно, внося изменения как в плане микробиологии, так и в конструктивной части энергетической ячейки».
Егор Щербаков, www.vsp.ru