В Курчатовском институте разработали микробные топливные элементы

В Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» разработали инновационные микробные топливные элементы, которые можно использовать в различных устройствах Интернета вещей. Например, в полевых датчиках для мониторинга состояния воды, почвы и воздуха. Такие датчики способны автономно работать длительное время, не требуя обслуживания, пишут «Известия».

«Мы создали первый прототип — датчик, способный измерять сразу несколько параметров: температуру, давление, влажность. Он использует автономное энергопитание и передаёт информацию раз в полчаса, чаще для городских служб обычно не нужно», — рассказал Павел Готовцев, заместитель руководителя отдела биотехнологий и биоэнергетики комплекса НБИКС-технологий НИЦ «Курчатовский институт».

1 января 2018 года в научном журнале Robotics опубликована научная статья «Источники энергии на основе биоэнергетики для мобильных автономных роботов», ведущим автором которой указан Павел Готовцев. Кроме него, среди авторов другие сотрудники отдела биотехнологий и биоэнергетики и лаборатории «Робототехника» Курчатовского института, а также Институт биохимии и физиологии микроорганизмов имени Г. К. Скрябина Российской академии наук. В ней кратно описаны различные варианты конструкции топливных элементов для автономных роботов, в том числе топливные элементы с использованием микроорганизмов.

В прошлом году статья о микробных топливных элементов за авторством Павла Готовцева с коллегами публиковалась в журнале «Российские нанотехнологии» (doi статьи: 10.1134/S1995078017010098). В этой статье описаны свойства биоэлектрода, сформированного с помощью иммобилизации бактериальных клеток Gluconobacter oxydans на «сверхтонком углеродном материале» (CSM).

Gluconobacter oxydans — облигатный аэроб, который использует кислород в качестве терминального акцептора электронов при дыхании. Эта уксусно-кислая бактерия характеризуется неполным окислением широкого диапазона углеводов и спиртов, не патогенна для человека и других животных, присутствует в зрелых фруктах, плодах, сидре, пиве, вине.

Опыты показали, что топливные элементы с бактериями на электроде вполне работоспособны. Уже созданы прототипы, а через три-пять лет планируется начать пилотные испытания системы в городских условиях. После этого ничего не мешает наладить производство в промышленном масштабе тех же экологических датчиков с микробными топливными элементами: «В перспективе мы сможем разместить подобные датчики в дождевых коллекторах или в почве. Они будут контролировать состояние воды и воздуха, загрязнение территории. Для этого можно использовать простые химические сенсоры».

По словам разработчиков, одна сенсорная система (несколько датчиков и аккумулятор на биотопливе) будет стоить до 10 тыс. рублей. Каждый датчик может отслеживать состояние почвы в радиусе нескольких метров.

Экологи с воодушевлением восприняли инициативу Курчатовского института по производству экологических датчиков. Например, директор по природоохранной политике Всемирного фонда дикой природы (WWF) Евгений Шварц приводит в пример промышленный американский город Питтсбург — «город угля и стали», вечно погруженный в облако смога. Ситуация изменилась, когда там внедрили автоматическую систему мониторинга экологических показателей.

Всего за десять лет эта система позволила сделать из «задыхающегося» Питтсбурга цветущий город: «При этом предприятия, которые превышают квоту вредных выбросов, платят тем, кто снизил уровень загрязнения. С помощью созданных в НИЦ технологий экомониторинга это можно осуществить», — считает Евгений Шварц. Он говорит, что такой опыт можно применить, например, в российском Челябинске и других городах, которые страдают от деградации окружающей среды. Через систему квотирования финансово поощряются экологические инновации — сюда текут деньги, а значит, привлекается бизнес и кадры.

Кроме того, подключенные к интернету датчики будут оперативно предупреждать о возможных утечках вредных реагентов с промышленных предприятий, что позволит быстро реагировать на возникающие экологические угрозы.