Ny grøn teknologi genererer elektricitet ud af den blå luft

Forskere ved University of Massachusetts Amherst har udviklet en enhed, der bruger et naturligt protein til at skabe elektricitet fra fugt i luften, en ny teknologi, de siger, kan have betydelige konsekvenser for fremtiden for vedvarende energi, klimaændringer og i fremtidens medicin.

Som rapporteret i dag i Natur , laboratorierne af elektrisk ingeniør Jun Yao og mikrobiolog Derek Lovley ved UMass Amherst har skabt en enhed, de kalder en "Air-gen." eller luftdrevet generator, med elektrisk ledende protein nanotråde produceret af mikroben Geobacter. Air-gen forbinder elektroder til protein nanotrådene på en sådan måde, at elektrisk strøm genereres fra vanddampen, der naturligt er til stede i atmosfæren.

"Vi laver bogstaveligt talt elektricitet ud af den blå luft, " siger Yao. "Air-gen genererer ren energi 24/7." Dejligt, som har avanceret bæredygtige biologibaserede elektroniske materialer gennem tre årtier, tilføjer, "Det er den mest fantastiske og spændende anvendelse af protein nanotråde til dato."

Den nye teknologi udviklet i Yaos laboratorium er ikke-forurenende, vedvarende og lavpris. Det kan generere strøm selv i områder med ekstremt lav luftfugtighed, såsom Sahara-ørkenen. Det har betydelige fordele i forhold til andre former for vedvarende energi, herunder sol og vind, Lovely siger, fordi i modsætning til disse andre vedvarende energikilder, Air-gen kræver ikke sollys eller vind, og "det virker endda indendørs."

Air-gen-enheden kræver kun en tynd film af protein-nanotråde, der er mindre end 10 mikrometer tykke, forklarer forskerne. Bunden af ​​filmen hviler på en elektrode, mens en mindre elektrode, der kun dækker en del af nanotrådsfilmen, sidder på toppen. Filmen adsorberer vanddamp fra atmosfæren. En kombination af den elektriske ledningsevne og overfladekemi af protein nanotrådene, kombineret med de fine porer mellem nanotrådene i filmen, etablerer de forhold, der genererer en elektrisk strøm mellem de to elektroder.

Forskerne siger, at den nuværende generation af Air-gen-enheder er i stand til at drive lille elektronik, og de forventer at bringe opfindelsen til kommerciel skala snart. De næste trin, de planlægger, omfatter udvikling af et lille Air-gen "patch", der kan drive elektroniske wearables såsom sundheds- og fitnessmonitorer og smarture, hvilket ville eliminere kravet om traditionelle batterier. De håber også at udvikle Air-gens til anvendelse på mobiltelefoner for at eliminere periodisk opladning.

Yao siger, "Det ultimative mål er at lave systemer i stor skala. F.eks. teknologien kan være indarbejdet i vægmaling, der kan hjælpe med at drive dit hjem. Eller, vi kan udvikle stand-alone luftdrevne generatorer, der leverer elektricitet fra nettet. Når vi når til en industriel skala for trådproduktion, Jeg forventer fuldt ud, at vi kan lave store systemer, der vil yde et stort bidrag til bæredygtig energiproduktion."

Fortsætter med at fremme de praktiske biologiske muligheder i Geobacter, Lovleys laboratorium udviklede for nylig en ny mikrobiel stamme til hurtigere og billigere masseproduktion af protein nanotråde. "Vi forvandlede E. coli til en protein nanotrådsfabrik, " siger han. "Med denne nye skalerbare proces, forsyning af protein nanowire vil ikke længere være en flaskehals for at udvikle disse applikationer."

Air-gen opdagelsen afspejler et usædvanligt tværfagligt samarbejde, de siger. Lovley opdagede Geobacter-mikroben i mudderet i Potomac-floden for mere end 30 år siden. Hans laboratorium opdagede senere dets evne til at producere elektrisk ledende protein nanotråde. Før du kommer til UMass Amherst, Yao havde arbejdet i årevis på Harvard University, hvor han konstruerede elektroniske enheder med silicium nanotråde. De gik sammen for at se, om nyttige elektroniske enheder kunne laves med protein-nanotrådene høstet fra Geobacter.

Xiaomeng Liu, en ph.d. studerende i Yaos laboratorium, var ved at udvikle sensorenheder, da han bemærkede noget uventet. Han husker, "Jeg så, at når nanotrådene blev kontaktet med elektroder på en bestemt måde, genererede enhederne en strøm. Jeg fandt ud af, at udsættelse for luftfugtighed var essentiel, og at protein nanotråde adsorberede vand, producerer en spændingsgradient over enheden."

Ud over Air-gen, Yaos laboratorium har udviklet flere andre applikationer med proteinet nanotråde. "Dette er kun begyndelsen på en ny æra af proteinbaserede elektroniske enheder," sagde Yao.