Erneuerbare und zuverlässige biologische Fotozelle

Dieses System, das Blau- und Grünalgen enthält, betreibt einen Mikroprozessor ununterbrochen für ein Jahr, wobei nichts als Umgebungslicht und Wasser verwendet werden. Bildnachweis: Paolo Bombelli

Algenbetriebenes Computing

Wissenschaftler haben eine allgegenwärtige Form von Blaualgen verwendet, um einen Mikroprozessor ununterbrochen für ein Jahr zu betreiben – Tendenz steigend – und nichts als Umgebungslicht und Wasser zu verwenden. Ihr System hat Potenzial als zuverlässige und erneuerbare Möglichkeit, kleine elektronische Geräte mit Strom zu versorgen.

Das System, das in seiner Größe mit einer AA-Batterie vergleichbar ist, enthält eine Art ungiftiger Algen namens synchron Es gewinnt auf natürliche Weise Energie von der Sonne durch Photosynthese. Der kleine elektrische Strom, den es erzeugt, interagiert dann mit einer Aluminiumelektrode und wird verwendet, um einen Mikroprozessor mit Strom zu versorgen.

Das System besteht aus gewöhnlichen, kostengünstigen und größtenteils recycelbaren Materialien. Dies bedeutet, dass es leicht hunderttausendfach wiederholt werden kann, um eine große Anzahl kleiner Geräte als Teil des Internets der Dinge mit Strom zu versorgen. Die Forscher sagen, dass es wahrscheinlich in netzfernen Situationen oder an abgelegenen Orten am nützlichsten ist, wo kleine Mengen an elektrischer Energie am vorteilhaftesten sein können.

„Das wachsende Internet der Dinge benötigt immer mehr Energie, und wir glauben, dass diese aus Systemen stammen sollte, die Energie erzeugen können, anstatt sie wie Batterien zu speichern“, sagte Professor Christopher Howe vom Department of Biochemistry der University of Cambridge. Co-Lead-Autor des Papers.

Er fügte hinzu: „Unser photosynthetischer Apparat funktioniert nicht wie eine Batterie, weil er ständig Licht als Energiequelle verwendet.“

Im Experiment wurde das Gerät verwendet, um den Arm Cortex M0+ mit Strom zu versorgen, einen in IoT-Geräten weit verbreiteten Mikroprozessor. Die Ergebnisse wurden nach sechs Monaten kontinuierlicher Stromerzeugung in einer häuslichen Umgebung und halb im Freien unter natürlichen Lichtverhältnissen und damit verbundenen Temperaturschwankungen zur Veröffentlichung eingereicht.

Die Studie wurde am 12. Mai 2022 im Journal veröffentlicht Energie- und Umweltwissenschaften.

Dr. Paolo Bombelli vom Department of Biochemistry der University of Cambridge, Erstautor der Veröffentlichung.

Algen müssen sich nicht ernähren, da sie ihre eigene Nahrung herstellen, indem sie Photosynthese betreiben. Und obwohl die Photosynthese Licht benötigt, kann das Gerät in Zeiten der Dunkelheit weiterhin Energie produzieren. Die Forscher glauben, dass dies daran liegt, dass die Algen einen Teil ihrer Nahrung verarbeiten, wenn kein Licht vorhanden ist, wodurch weiterhin elektrischer Strom erzeugt wird.

Das Internet der Dinge ist ein riesiges und wachsendes Netzwerk elektronischer Geräte, die jeweils sehr wenig Strom verbrauchen und Echtzeitdaten über das Internet sammeln und austauschen. Über kostengünstige Computerchips und drahtlose Netzwerke sind viele Milliarden Geräte Teil dieses Netzwerks – von der intelligenten Uhr bis zum Temperatursensor in Kraftwerken. Es wird erwartet, dass diese Zahl bis 2035 auf eine Billion Geräte ansteigen wird, die eine große Anzahl tragbarer Stromquellen erfordern.

Die Forscher sagen, dass es unpraktisch wäre, Billionen von IoT-Geräten mit Lithium-Ionen-Batterien zu betreiben: Sie würden dreimal mehr Lithium benötigen, als jährlich weltweit produziert wird. Herkömmliche PV-Geräte werden unter Verwendung gefährlicher Materialien hergestellt, die nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt haben.

Die Arbeit war eine Zusammenarbeit zwischen der Cambridge University und Arm, einem führenden Unternehmen für Mikroprozessordesign. Arm Research entwickelte den hocheffizienten Testchip Arm Cortex M0+, stellte das Board her und bereitete die in den Experimenten gezeigte Datenerfassungs-Cloud-Schnittstelle vor.

Referenz: „Betrieb eines Mikroprozessors durch Photosynthese“ von P. Bombelli, A. Savanth, A. Scarampi, S. J. L. Rowden, D. H. Green, A. Erbe, E. Årstøl, I. Jevremovic, M. F. Hohmann-Marriott, S. P. Trasatti, E Ozer und C. J. Howe, 12. Mai 2022, hier verfügbar. Energie- und Umweltwissenschaften.
DOI: 10.1039 / D2EE00233G

Die Forschung wurde vom National Center for Innovation in Biofilms finanziert.