超六个月不间断供电的「蓝藻电池」,只需要阳光和水

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05-16 21:24

从 2021 年 2 月到 2021 年 8 月,在剑桥大学生物化学家 Paolo Bombelli 家里的窗户附近,放置了一个计算机设备,但与常见的计算机不同,这个设备的驱动并不是供电网输送的电力,而是藻类制成的电池。

这个特别的生物光伏电池有一层塑料和钢制外壳,大约有 AA 电池大小,还有一个铝阳极。负责发电的是壳中一种名为「Synechocystis sp. PCC 6803」的藻类,是集胞藻属的一种蓝藻。

▲图片来自:ScienceDirect

这种蓝藻的特性,就是能在光照期间依靠光合作用进行生产,并且在有光时会产出多余的养分,到了环境变得黑暗时,就通过这些多余的养分继续维持自身的运行。

「蓝藻电池」连接的是 Arm Cortex-M0+ 微处理器,极小的硅面积、低功耗和最小的代码占用空间使开发人员能够以 8 位的价格实现 32 位的性能,这款处理器本身就相当节能。

▲图片来自:Engadget

在被编程为进行一系列计算后检查自己的工作的处理器,连续数月以蓝藻装置作为其唯一电源。处理器以 45 分钟计算连续整数和的周期运行,以模拟计算工作负载,需要 0.3 微瓦的功率;之后的 15 分钟待机时间则需要 0.24 微瓦的功率。

对于「蓝藻电池」为何会产生电流,包括 Paolo Bombelli 的研究团队有两种假设,一种是「电化学模型」,微生物为铝阳极氧化或释放电子创造了合适的条件,然后产生了电;另一种是「生物电化学模型」,蓝藻自身产生电子,电子通过细菌膜转移到铝阳极,从而产生电流。

▲图片来自: Paolo Bombelli

由于研究人员发现实验中铝阳极并没有明显的变化,因此认为「生物电化学模型」的可能较大。即电流是蓝藻本身产生的。

虽然处理器所需的能量并不多,但「蓝藻电池」也维持了它在实验的六个月内没有断电,并且在实验结束后微处理器已断开连接的情况下,这些蓝藻也在继续发电。

▲研究团队的 Chris Howe(左)和 Paolo Bombelli(右),图片来自:剑桥大学

微处理器 Arm Cortex M0+ 的应用范围很广泛,可以在物联网、人工智能或机器学习中的处理器里,也可以在可穿戴设备中的传感里……

当然,「蓝藻电池」并不能提供大量的电力,但在只需要少量电力的场景下它便有了「用武之地」,比如放在传感器里,或给手机充电。对于农村地区或低收入国家的人们来说,这或许会是另一种电力来源。

▲图片来自:《Energy & Environmental Science》

更重要的是,这种生物基电池的简单构造和环保可持续的特性给电力的发展提供了新的方向,不需要如今多数供电设备中需要稀土元素和锂等面临短缺危机的资源,只要阳光和水,它就能源源不断地产生电。

 

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