藻类驱动的计算:科学家创造可靠和可再生的生物光伏电池

藻类驱动的计算:科学家创造可靠和可再生的生物光伏电池

图片来源:Paolo Bombelli

研究人员已经使用一种广泛的蓝绿藻来连续一年地为微处理器供电 - 并且还在继续 - 除了环境光和水之外,什么都不用。他们的系统有可能成为为小型设备供电的可靠和可再生方式。

该系统的大小与AA电池相当,含有一种称为Synechocystis的无毒藻类,通过光合作用从太阳自然收集能量。由此产生的微小电流随后与铝电极相互作用,并用于为微处理器供电。

该系统由普通,廉价且基本上可回收的材料制成。这意味着它可以很容易地复制数十万次,作为物联网的一部分,为大量小型设备供电。研究人员表示,它可能在离网情况或偏远地区最有用,在这些地方,少量的电力可能非常有益。

“不断增长的物联网需要越来越多的电力,我们认为这必须来自可以产生能量的系统,而不是简单地像电池一样存储它,”剑桥大学生物化学系的Christopher Howe教授说,他是该论文的联合资深作者。

他补充说:“我们的光合作用设备不会像电池那样运行,因为它不断使用光作为能量来源。

在实验中,该设备用于为Arm Cortex M0 +供电,这是一种广泛用于物联网设备的微处理器。它在自然光和相关温度波动下的家庭环境和半户外条件下运行,经过六个月的连续发电,结果被提交发布。

该研究今天发表在《能源与环境科学》杂志上。

“我们对该系统在很长一段时间内的一致性印象深刻 - 我们认为它可能会在几周后停止,但它只是继续前进,”剑桥大学生物化学系的Paolo Bombelli博士说,他是该论文的第一作者。

藻类不需要进食,因为它在光合作用时会产生自己的食物。尽管光合作用需要光,但该设备甚至可以在黑暗时期继续产生功率。研究人员认为这是因为藻类在没有光的情况下处理一些食物,这继续产生电流。

物联网是一个庞大且不断增长的电子设备网络 - 每个设备仅使用少量电力 - 通过互联网收集和共享实时数据。使用低成本的计算机芯片和无线网络,数十亿台设备是该网络的一部分 - 从智能手表到发电站的温度传感器。预计到2035年,这一数字将增长到一万亿台设备,需要大量的便携式能源。

研究人员表示,使用锂离子电池为数万亿台物联网设备供电是不切实际的:它需要的锂是全球每年生产的三倍。传统的光伏设备是使用对环境产生不利影响的危险材料制成的。

这项工作是剑桥大学与Arm之间的合作,Arm是一家领导微处理器设计的公司。Arm Research开发了超高效的Arm Cortex M0 +测试芯片,构建了电路板,并设置了实验中呈现的数据收集云接口。

该研究由美国国家生物膜创新中心资助。


参考:Bombelli,P.等人:“通过光合作用为微处理器供电。能源与环境科学,2022年5月。DOI: 10.1039/D2EE00233G

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