Ученые разработали топливный элемент из грибков, печатаемый на 3D-принтере

Швейцарские ученые из EMPA создали работающий прототип батареи, которая питается сахаром и полностью разлагается в почве, не оставляя токсичных отходов. В основе разработки — симбиоз двух видов грибков, напечатанных на 3D-принтере. Это открытие может кардинально изменить подход к питанию устройств для «Интернета вещей» в сельском хозяйстве и экологическом мониторинге, где замена традиционных литиевых элементов питания является серьезной проблемой.

Как грибки превращают сахар в электричество

Исследователи из Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологий (EMPA) нашли способ заставить микроорганизмы работать как миниатюрные электростанции. Вместо того чтобы запасать энергию, как обычная батарея, их устройство является топливным элементом. Электричество вырабатывается непрерывно в процессе метаболизма грибков, которые перерабатывают питательные вещества.

Ключ к успеху — правильное распределение ролей между двумя разными культурами. На аноде размещаются дрожжевые грибки, чей метаболизм высвобождает электроны. Катод, в свою очередь, колонизируется грибком белой гнили. Он продуцирует специфический фермент, который эффективно захватывает высвободившиеся электроны и выводит их во внешнюю цепь, создавая электрический ток.

3D-печать как решение главной инженерной задачи

Главной трудностью для ученых стало создание физической структуры, которая обеспечила бы правильное взаимодействие микроорганизмов и доступ к питанию. После трех лет экспериментов была разработана технология 3D-печати. Клетки грибов смешиваются со специальными чернилами на основе целлюлозы. Эта целлюлоза выполняет двойную функцию: она служит не только строительным материалом для каркаса топливного элемента, но и питательной средой, содержащей простые сахара.

Технология позволяет печатать батареи любой формы и размера, подстраивая количество грибкового материала под требуемую мощность. Такой топливный элемент может храниться в сухом виде неопределенно долго, а для запуска процесса достаточно просто добавить воду — это активирует метаболизм микроорганизмов.

Экологичность и потенциал автономных датчиков

С точки зрения выработки энергии грибковая батарея пока скромна: она выдает от 300 до 600 мВ в течение нескольких дней, обеспечивая ток в 3–20 мкА. Этого достаточно для питания небольшого датчика температуры, например, на фермерском поле или в природном заповеднике. Однако главное преимущество лежит не в мощности, а в безопасности и утилизации. В отличие от традиционных батарей, содержащих тяжелые металлы и щелочи, грибковый элемент полностью нетоксичен.

Когда запас питательных веществ исчерпан и выработка энергии прекращается, корпус и содержимое батареи расщепляются микроорганизмами в почве, не нанося вреда экосистеме. Это решает одну из острейших проблем современной электроники — горы токсичных отходов от использованных элементов питания.

Еще несколько лет назад биоразлагаемые источники питания считались экспериментальной экзотикой, неспособной конкурировать с традиционными решениями. Однако рост числа автономных датчиков, которые часто оказываются в труднодоступных местах или в сельскохозяйственных угодьях, делает их замену дорогой и экологически вредной. Грибковая батарея предлагает альтернативу: устройство, которое можно «забыть» в поле, зная, что оно самоуничтожится без следа.

Влияние этой разработки может выйти далеко за рамки лаборатории. Если технология масштабируется и станет коммерчески доступной, она способна изменить стандарты для целого класса устройств. Речь идет не только о сельском хозяйстве, но и о логистике (датчики состояния грузов), медицине (одноразовые биочипы) и мониторинге окружающей среды. Вместо борьбы с мусором от батареек индустрия получит источник энергии, который сам становится частью природного цикла.