В Институте медико-биологических проблем разработали необычный способ получения электричества, главные производители которого — микроорганизмы. Главная цель электрических опытов микробиологов — подготовка будущих межпланетных экспедиций с участием человека. Эксперименты показали, что так называемые электрогенные бактерии способны решать несколько задач. Не только давать электричество и воду, но и уничтожать органические отходы. Бактериальную «электростанцию» уже протестировали в космосе на аппарате «Фотон»).
С виду обычный калькулятор, но батареек внутри нет, а солнечная панель заклеена. Однако прибор все равно работает. Источник питания — в небольшом устройстве. Серое вещество — так называемый активный ил, в котором обитают микробы. Именно микробы и заменяют калькулятору батарейку, проще говоря, дают электрический ток.
Чтобы понять, что он работает именно от этих элементов, убираем провода, все у нас погасло. При повторном подключении элементов мы видим — он работает…
В Институте медико-биологических проблем разработали необычный способ получения электричества, главные производители которого — микроорганизмы.
Это образец активного ила, который культивируется шесть лет, среди микробного ассоциата присутствуют электрогенные бактерии, которые позволяют запустить микробный топливный элемент.
«Некоторые бактерии в процессе своей жизнедеятельности выделяют в среду свободные электроны и протоны. И эти электроны в природных условиях дают воду, и ничего особенного не происходит. Но если мы предпримем некие технические ухищрения для разделения этих потоков, чтобы получить электрический ток, это электрон, перемещающийся по проводам, мы должны отобрать у бактерий этот электрон и передать его в цепь», — объясняет Павел Солдатов, научный сотрудник лаборатории систем формирования искусственных газовых сред ИМБП.
Вот так выглядит микробная батарейка. Цилиндр, внутри которого анод. Туда заселяют бактерии. Кислорода внутри нет, иначе бактерии не отдадут электроны. После поедания органики, или так называемой питательной среды, образуется углекислый газ, протоны и электроны. Электроны передаются на анод, затем по электрической цепи, текут к катоду. Так и получается ток. А вот протоны, проходя через специальную мембрану, устремляются в катодную камеру. Если подсоединить к этой электрической цепи какой-нибудь маломощный прибор — заработает.
«Этими микробными элементами можно запитывать слаботочные элементы, малопотребляющие экраны, что может быть немаловажно», — говорит Павел Солдатов.
Пока мощность «микробных топливных элементов» — милливатты. Однако главное преимущество таких батареек над всеми известными источниками энергии: экономичность, долговечность, безопасность и высокий КПД.
«5 граммов топлива они будут сутки поедать, а газ в таком же объеме сгорит за секунды, скажем так — мощность у них маленькая, зато КПД высокий, электростанции имеют 40 процентов КПД, а эти 90-95 процентов. То есть, они с высокой эффективностью превращают в энергию, но медленно», — рассказывает Владимир Дебабов, научный руководитель ГосНИИ генетики.
Точно такую же «миниэлектростанцию» ученые тестировали в космосе — на аппарате «Фотон». Как батарейка из микробов будет работать на орбите, и будет ли работать вообще? Все-таки — организмы! А космос, как известно, для всего живого — среда враждебная. Результаты оказались неожиданными. В невесомости бактерии давали больше тока, чем на Земле.
Подготовка будущих межпланетных экспедиций с участием человека. Сегодня это главное для микробиологов ИМБП.
Как показали эксперименты, некоторые бактерии способны не только давать электричество, но и уничтожать органические отходы, превращая их в воду. А во время длительных экспедиций проблема мусора встанет так же остро, как проблема воды, питания и энергии. Ученые решили: помогут микробы, космонавты им — мусор для питания, например, использованные салфетки, а они космонавтам — воду и электричество.
«Можно к 18-му году, планируемому году полета на „Бионе-М2“, как раз сделать какую-то модель, которая способна сделать и то, и другое, утилизировать отходы жидкие с образованием СО2 и воды, что тоже очень хорошо, как небольшое пополнение санитарной воды, которая может быть использована и, конечно же, попытаться извлечь из этого немножко электричества», — говорит Вячеслав Ильин, заведующий лабораторией ИМБП РАН.
На Земле, как известно, бактерии везде и повсюду. Это первые живые организмы нашей планеты, благодаря которым и появился человек. Со слов микробиологов, примерно полтора килограмма веса человека — это вес бактерий. Они создают в организме микрофлору, которая защищают нас от вредных вирусов, участвуют в обмене веществ. Бактерия, из которой ученые получают электричество, участвует в преобразовании железа.
«Они участвуют в круговороте железа в природе. Вот Fe-3 в природе растворяется хуже стекла и, если бы их не было, все бы железо в природе превратилось в ржавчину. И все мы были бы без гемоглобина, без железа. Так вот эти бактерии могут электроны передавать прямо на железо, железо переходит из Fe-3 в Fe-2 и растворяется», — объясняет Владимир Дебабов.
О том, что микробы могут давать электричество, для микробиологов не новость. А вот выделить электрогенные бактерии из огромного микробного царства и сделать из них батарейку — идея, которая стала популярна лишь в последнее время.
Сегодня идея имеет и практический смысл: создать микробный питательный элемент для телефонов, часов мечтают уже многие мировые центры микроэлектроники.
«Любая батарейка — это проблема, мы их выбрасываем в мусор, а это тяжелые металлы, а здесь можно сделать: сама ячейка из биоразлагаемого пластика, а топливо — сахароза, когда топливо кончается, туда капнуть капельку сахарозы и она дальше работает», — рассказывает Владимир Дебабов.
Как приручить микробный мир и заставить его работать более эффективно, чтобы быстрее расщеплять органику, и давать больше электронов — одна из главных задач микробиологов. Для этого в Институте генетики и селекции микроорганизмов вывели новый штамм — электрогенной бактерии.
«Штаммы с более высоким уровнем регенерации электронов на основе шеванеллы создали мутантов, которые на 30-40 процентов вырабатывают больше электронов, в результате получилось, что можно создать штаммы, которые бы вырабатывали больше электронов, больше, чем исходный штамм, которые лучше будут делать электричество», — говорит Татьяна Воейкова, заведующая лабораторией ГосНИИ генетики.
Сегодня для всех космических аппаратов на орбите главный источник энергии — Солнце, которое заряжает солнечные батареи. Но за полвека космической истории были случаи, когда и солнечные электросистемы давали сбой. Так, в 1985 году станция «Салют-7» не работала 4 месяца, пока космонавты не прилетели и не починили всю систему энергопитания. А если аппараты полетят к другим планетам? Удаляясь от Светила — возможности заряжать аккумуляторы будет все меньше. Очевидно, без дополнительных альтернативных источников энергии не обойтись.
В XXI веке ученые делают серьезную ставку на микробов, которые, скорее всего, и станут главными спутниками первых космических путешественников, однако правила гигиены останутся неизменными даже в космосе.
