Binghemtonas Universitātes pētnieku izstrādātā baktēriju baterija izmanto cilvēka tievās zarnas uzbūves principus, lai uzlabotu mikroorganismu augšanu, barības vielu piegādi un vielmaiņas atkritumu aizvadīšanu. Testēšanas laikā ierīce vismaz 14 stundas saglabāja aptuveni 0,75 voltu izejas spriegumu.

Zarnu bārkstiņu iedvesmota elektrodu konstrukcija

Baterijas konstrukcijā izmantotas elastīgas, pirkstveida izvirzījumu struktūras, kas atdarina zarnu bārkstiņas. Cilvēka zarnās šie sīkie izaugumi palielina virsmas laukumu un palīdz uzsūkt barības vielas. Pētnieki centās izmantot to pašu principu, lai baktērijām nodrošinātu vairāk vietas un uzlabotu vielu pārvietošanos baterijas iekšienē.

Šim nolūkam komanda izveidoja izvirzījumus no elastīga polimēra hidrogēla, ko parasti izmanto biomedicīnas lietojumos. Hidrogēls ļāva izveidot trīsdimensiju elektrodu, kurā baktērijas var atrasties visā materiāla tilpumā. Konstrukcijās tika iestrādātas sporas veidojošās baktērijas Bacillus subtilis, bet pats baktērijas saturošais materiāls kalpo kā baterijas anods.

Otrā ierīces pusē atrodas pārveidots oglekļa auduma katods, bet starp abām daļām — jonu apmaiņas membrāna. Kopā šie elementi ļauj ierīcei ražot elektrību, baktērijām metabolizējot barības vielas.

Kāpēc nepieciešama jauna pieeja

Baktēriju baterijas elektrību iegūst, izmantojot mikroorganismu vielmaiņas aktivitāti. Tomēr to darbība daļēji ir atkarīga no tā, cik efektīvi baktērijas saņem barības vielas un izvada vielmaiņas atkritumus.

Parastajiem divdimensiju elektrodiem ir ierobežots virsmas laukums baktēriju augšanai. Poraini materiāli nodrošina papildu vietu, taču, baktērijām veidojot biofilmas, poras var aizsērēt. Tas apgrūtina gan barības vielu, gan atkritumvielu pārvietošanos.

“Porainas struktūras biofilmas veidošanās dēļ var viegli aizsērēt, tāpēc mums bija daudz problēmu ar barības vielu piegādi, atkritumu uzkrāšanos un nevienmērīgu biofilmas augšanu,” sacīja Binghemtonas Universitātes elektrotehnikas un datortehnikas profesors Seokheuns “Šons” Čojs.

Lai risinātu šīs problēmas, Čojs kopā ar doktorantūras pētniekiem Ruohanu Džanu un Botianu Vanu pievērsās tievās zarnas struktūrai. Zarnu bārkstiņas nodrošina lielu virsmas laukumu, vienlaikus ļaujot barības vielām pārvietoties salīdzinoši nelielos attālumos. Pētnieki centās šīs priekšrocības pārnest uz elastīgu baterijas elektrodu.

Iespējamā izmantošana notekūdeņu cauruļvados

Pētnieki uzskata, ka nākotnē šādas biobaterijas varētu uzstādīt notekūdeņu cauruļvados. Tajos esošā organiskā viela kalpotu kā barības avots mikroorganismiem, bet baktēriju aktivitāte — kā enerģijas avots mazjaudas ierīcēm.

“Mēs varam ievietot šo biobateriju notekūdeņu caurulē, jo to var viegli integrēt apkārtējā vidē,” sacīja Čojs. Elastīgais hidrogēls varētu ļaut baterijai pielāgoties dažādām cauruļvadu formām un izmēriem. Šādas sistēmas nākotnē varētu nodrošināt elektrību maziem sensoriem, neizmantojot parastās baterijas.

Pētījums vēl ir sākotnējā stadijā

Tomēr tehnoloģija joprojām atrodas agrīnā izstrādes posmā. Ziņotais spriegums tika uzturēts, nepārtraukti pievadot barības vielu šķīdumu, un pētnieki vēl nav pierādījuši, ka sistēma darbojas tieši notekūdeņu cauruļvadā.

Komanda vēlas vienkāršot ražošanu, izstrādājot vienpakāpes drukāšanas procesu, kas varētu atvieglot struktūru izgatavošanu lielākā mērogā. Vēl viens mērķis ir uzlabot baktēriju izvietojumu ierīcē. Cilvēka zarnās mikroorganismi galvenokārt koncentrējas gļotu slānī pie bārkstiņu virsmas, bet pašreizējā baterijas konstrukcijā baktērijas ir iestrādātas visā hidrogēlā.

Turpmākajos pētījumos zinātnieki pārbaudīs, vai lielākas daļas zarnu fizikālo un ķīmisko apstākļu atdarināšana palīdzētu uzturēt baktēriju aktivitāti un uzlabot baterijas darbību. Pētījuma rezultāti publicēti žurnālā Small.