Künstlerische Darstellung des Nanodrahtfilms des Geräts. (UMass Amherst/Yao und Lovley Labs/Ella Maru Studio) Sie fanden es vor mehr als drei Jahrzehnten in den schlammigen Ufern des Potomac River vergraben: ein seltsames Erlebnis „Sedimentorganismus“ Das könnte Dinge bewirken, die noch nie zuvor bei Bakterien gesehen wurden.
Diese ungewöhnliche Mikrobe, die zu den gehört Geobacter Gattung, war zunächst für ihre Fähigkeit bekannt, Magnetit in Abwesenheit von Sauerstoff zu produzieren, aber mit der Zeit fanden Wissenschaftler heraus, dass sie auch andere Dinge herstellen konnte, z Bakterielle Nanodrähte die Strom leiten.
Seit Jahren versuchen Forscher, Wege zu finden, dies zu erreichen sinnvoll ausnutzen diese natürliche Gabe, und vielleicht sind sie gerade mit einem Gerät, das sie Air-Gen nennen, ins Schwarze getroffen. Nach Angaben des Teams kann ihr Gerät Strom aus … nun ja, fast nichts erzeugen.
„Wir erzeugen buchstäblich Strom aus der Luft“ sagt Elektroingenieur Jun Yao von der University of Massachusetts Amherst. „Der Air-Gen erzeugt rund um die Uhr saubere Energie.“
Die Behauptung mag wie eine Übertreibung klingen, aber a neue Studie von Yao und seinem Team beschreibt, wie der luftbetriebene Generator tatsächlich Strom erzeugen kann, obwohl sich nur Luft um ihn herum befindet. Dies alles ist den elektrisch leitfähigen Protein-Nanodrähten zu verdanken, die von hergestellt werden Geobacter ( G. schwefelreducens , in diesem Fall).
Das Air-Gen besteht aus einem dünnen Film aus Protein-Nanodrähten mit einer Dicke von nur 7 Mikrometern, der zwischen zwei Elektroden positioniert, aber auch der Luft ausgesetzt ist.
Aufgrund dieser Belichtung ist der Nanodrahtfilm dazu in der Lage adsorbieren Wasserdampf, der in der Atmosphäre vorhanden ist, wodurch das Gerät einen kontinuierlichen elektrischen Strom erzeugen kann, der zwischen den beiden Elektroden geleitet wird.
Das Team sagt, dass die Ladung wahrscheinlich durch einen Feuchtigkeitsgradienten erzeugt wird, der eine Diffusion von Protonen im Nanodrahtmaterial erzeugt.
„Es wird erwartet, dass diese Ladungsdiffusion ein ausgleichendes elektrisches Feld oder Potential induziert, das dem Ruhemembranpotential in biologischen Systemen entspricht“, so die Autoren erklären in ihrer Studie .
„Ein aufrechterhaltener Feuchtigkeitsgradient, der sich grundlegend von allem unterscheidet, was in früheren Systemen zu sehen war, erklärt die kontinuierliche Spannungsabgabe unseres Nanodrahtgeräts.“
Die Entdeckung erfolgte fast zufällig, als Yao bemerkte, dass die Geräte, mit denen er experimentierte, scheinbar ganz von selbst Strom leiteten.
„Ich habe gesehen, dass die Geräte einen Strom erzeugten, wenn die Nanodrähte auf eine bestimmte Weise mit Elektroden in Kontakt kamen.“ Sagt Yao .
„Ich fand heraus, dass die Einwirkung von Luftfeuchtigkeit unerlässlich ist und dass Protein-Nanodrähte Wasser adsorbieren und so einen Spannungsgradienten über das Gerät erzeugen.“
Frühere Forschung hat demonstriert Hydrovoltaik Stromerzeugung mit anderen Arten von Nanomaterialien – wie z Graphen – aber diese Versuche führten größtenteils nur zu kurzen Stromstößen, die vielleicht nur Sekunden dauerten.
Im Gegensatz dazu erzeugt der Air-Gen eine Dauerspannung von etwa 0,5 Volt mit einer Stromdichte von etwa 17 Mikroampere pro Quadratzentimeter. Das ist nicht viel Energie, aber das Team sagt, dass der Anschluss mehrerer Geräte genug Strom erzeugen könnte, um kleine Geräte wie Smartphones und andere persönliche Elektronikgeräte aufzuladen – und das alles ohne Abfall und nur mit Umgebungsfeuchtigkeit (selbst in so trockenen Regionen wie der Sahara). .
„Das ultimative Ziel besteht darin, groß angelegte Systeme herzustellen“, Sagt Yao , und erklärte, dass zukünftige Bemühungen die Technologie nutzen könnten, um Häuser über in Wandfarbe integrierte Nanodrähte mit Strom zu versorgen.
„Sobald wir den industriellen Maßstab für die Drahtproduktion erreicht haben, erwarte ich voll und ganz, dass wir große Systeme bauen können, die einen großen Beitrag zur nachhaltigen Energieerzeugung leisten werden.“
Wenn es ein Hindernis gibt, dieses scheinbar unglaubliche Potenzial auszuschöpfen, dann ist es die begrenzte Menge an Nanodrähten G. schwefelreducens produziert.
Verwandte Forschung von einem Mitglied des Teams – dem Mikrobiologen Derek Lovley, der als erster identifizierte Geobacter Mikroben in den 1980er Jahren – könnte eine Lösung dafür haben: die Genmanipulation anderer Insekten, wie E coli , um den gleichen Trick in großen Mengen durchzuführen.
„Wir haben uns umgedreht E coli in eine Protein-Nanodraht-Fabrik“, sagt Lovley .
„Mit diesem neuen skalierbaren Verfahren wird die Versorgung mit Protein-Nanodrähten kein Engpass mehr bei der Entwicklung dieser Anwendungen sein.“
Über die Ergebnisse wird berichtet Natur .