超六個月不間斷供電的「藍藻電池」,只需要陽光和水

從 2021 年 2 月到 2021 年 8 月,在劍橋大學生物化學家 Paolo Bombelli 家裡的窗戶附近,放置了一個電腦設備,但與常見的電腦不同,這個設備的驅動並不是供電網輸送的電力,而是藻類製成的電池。

這個特別的生物光伏電池有一層塑料和鋼制外殼,大約有 AA 電池大小,還有一個鋁陽極。負責發電的是殼中一種名為「Synechocystis sp. PCC 6803」的藻類,是集胞藻屬的一種藍藻。

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▲圖片來自:ScienceDirect

這種藍藻的特性,就是能在光照期間依靠光合作用進行生產,並且在有光時會產出多餘的養分,到了環境變得黑暗時,就通過這些多餘的養分繼續維持自身的運行。

「藍藻電池」連接的是 Arm Cortex-M0+ 微處理器,極小的硅面積、低功耗和最小的代碼占用空間使開發人員能夠以 8 位的價格實現 32 位的性能,這款處理器本身就相當節能。

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▲圖片來自:Engadget

在被編程為進行一系列計算後檢查自己的工作的處理器,連續數月以藍藻裝置作為其唯一電源。處理器以 45 分鐘計算連續整數和的周期運行,以模擬計算工作負載,需要 0.3 微瓦的功率;之後的 15 分鐘待機時間則需要 0.24 微瓦的功率。

對於「藍藻電池」為何會產生電流,包括 Paolo Bombelli 的研究團隊有兩種假設,一種是「電化學模型」,微生物為鋁陽極氧化或釋放電子創造了合適的條件,然後產生了電;另一種是「生物電化學模型」,藍藻自身產生電子,電子通過細菌膜轉移到鋁陽極,從而產生電流。

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▲圖片來自: Paolo Bombelli

由於研究人員發現實驗中鋁陽極並沒有明顯的變化,因此認為「生物電化學模型」的可能較大。即電流是藍藻本身產生的。

雖然處理器所需的能量並不多,但「藍藻電池」也維持了它在實驗的六個月內沒有斷電,並且在實驗結束後微處理器已斷開連接的情況下,這些藍藻也在繼續發電。

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▲研究團隊的 Chris Howe(左)和 Paolo Bombelli(右),圖片來自:劍橋大學

微處理器 Arm Cortex M0+ 的應用範圍很廣泛,可以在物聯網、人工智慧或機器學習中的處理器里,也可以在可穿戴設備中的感測里……

當然,「藍藻電池」並不能提供大量的電力,但在只需要少量電力的場景下它便有了「用武之地」,比如放在感測器里,或給手機充電。對於農村地區或低收入國家的人們來說,這或許會是另一種電力來源。

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▲圖片來自:《Energy & Environmental Science》

更重要的是,這種生物基電池的簡單構造和環保可持續的特性給電力的發展提供了新的方向,不需要如今多數供電設備中需要稀土元素和鋰等面臨短缺危機的資源,只要陽光和水,它就能源源不斷地產生電。