Международен екип от учени направи пробив в технологията за микробен електросинтез, създавайки биореактор с десетократно по-голям мащаб от лабораторните прототипи и рекордна ефективност.
Екипът от инженери по околна среда, ръководен от професор Брус Е. Логан от Държавния университет на Пенсилвания (смятан за водещ световен експерт по микробни горивни клетки и биоелектрохимични системи), разработи нов дизайн на биореактор, който би могъл да реши проблема със съхранението на зелена енергия.
Устройството използва живи микроорганизми, за да преобразува излишната електроенергия от слънчеви или вятърни електроцентрали и въглеродния диоксид в метан, основният компонент на природния газ.
Ключово постижение е успешното мащабиране на технологията: учените увеличиха площта на електрода десетократно в сравнение с лабораторните прототипи, като същевременно запазиха висока производителност.
Важна характеристика на системата е нейната архитектура с нулева междина. В конвенционалните конфигурации анодът и катодът са разделени от течен слой, което създава силно съпротивление на протичането на ток. В новия реактор електродите са плътно притиснати към йонообменната мембрана, което драстично намалява загубите на енергия.
Това инженерно решение позволява енергийна ефективност от 45,2% при стандартна температура от 30°C. За системи от този тип, работещи без външно нагряване, това е една от най-високите стойности в света.
Преди тази разработка повечето системи за микробен електросинтез (MES) работеха успешно само в малки лабораторни съдове (т.нар. H-клетки). Когато такива системи се „надуват“ до индустриален размер, възникват огромни загуби: вътрешното съпротивление се увеличава, което намалява енергийната ефективност.
Освен това в процеса на мащабирането се развива неравномерност: на входа на реактора бактериите работят активно, но на изхода вече нямат достатъчно „гориво“ (водород) или условия за живот.
Процесът на преобразуване на газ в гориво се осъществява благодарение на археи от рода Methanobacterium. Тези микроби действат като живи катализатори: те абсорбират водорода, произведен на повърхността на катода, и го използват като „мост“, за да получат електроните, необходими за редуциране на CO2 до метан.
Изследователите демонстрираха, че дори когато пътят на потока вътре в реактора е удължен до 30 сантиметра, бактериите са еднакво ефективни както в началото, така и в края на „опашката“ за енергия.
За да проектират системата, специалистите са използвали сложно математическо моделиране, базирано на уравненията на Бринкман и Навие-Стокс. Това им е позволило да изчислят потока на флуида по начин, който избягва застояли зони.
Моделът за първи път отчита процесите на генериране на водород на място и моменталната му консумация от микробите. Визуализацията потвърждава, че водородът е разпределен равномерно по целия 30-сантиметров панел, осигурявайки стабилна работа на биофилма.
Генетичният анализ потвърждава откритията на инженерите: съставът на микробната общност остава стабилен във всички области на огромния електрод. Делът на произвеждащите метан археи е приблизително 60% в долната част и над 50% в горната част. Тази малка разлика показва, че учените са успели да създадат идеална микросреда за живота на електрическите бактерии, дори при значително увеличен обем на системата.
Скоростта на производство на метан в новия реактор достигна 6,9 литра на ден на всеки литър обем на устройството при плътност на тока от 17,5 ампера на квадратен метър. Освен това, ефективността на електрическата енергия (кулонов коефициент на ефективност) надхвърля 95%, което означава практически липса на странични продукти.
Системата работи при напрежение от 2,3 V до 2,8 V, което я прави съвместима със стандартните промишлени електролизатори.
Тази разработка, финансирана от Центъра за изследвания на CO2 на Novo Nordisk, демонстрира, че микробният електросинтез е готов да излезе отвъд лабораторните рамки. Учените са направили не просто експеримент – те са създали жизнеспособен инженерен модел за изграждане на инсталации за оползотворяване на въглерод.
Изследването проправя пътя за създаване на мащабни системи за съхранение на газова енергия. За разлика от батериите, метанът може лесно да се инжектира в съществуващи съоръжения за съхранение на газ и да се използва за отопление или промишлени цели, като едновременно с това се намаляват концентрациите на парникови газове в атмосферата.
Разработчиците сега планират по-нататъшно мащабиране на системите, за да доведат технологията до търговско внедряване.
По-рано инженери представиха проект за автономни подводни батерии, работещи по програмата Darpa Blue. За разлика от системите за синтез на гориво, тези устройства използват микробни горивни клетки за захранване на дълбоководни сензори.
Бактериите в тях преработват органична материя директно от морската вода, освобождавайки електрони и превръщайки ги в електричество. Използването на активен въглен позволи на системата да работи надеждно дори в суровата кислородна среда на океана, осигурявайки енергия на сензорите без необходимост от подмяна на батериите.
