Возобновляемый и надежный биологический фотоэлемент

Эта система, содержащая синие и зеленые водоросли, непрерывно работает с микропроцессором в течение года, используя только окружающий свет и воду. Предоставлено: Паоло Бомбелли.

Вычисления на основе водорослей

Ученые использовали многочисленные виды сине-зеленых водорослей для непрерывного питания микропроцессора в течение года, и это число продолжается, используя только окружающий свет и воду. Их система может стать надежным и возобновляемым способом питания небольших электронных устройств.

Система, сравнимая по размеру с батареей типа АА, содержит тип нетоксичных водорослей, называемых синхронный Он естественным образом собирает энергию солнца посредством фотосинтеза. Небольшой электрический ток, который он генерирует, затем взаимодействует с алюминиевым электродом и используется для питания микропроцессора.

Система изготовлена ​​из обычных, недорогих и в основном пригодных для повторного использования материалов. Это означает, что его можно легко повторить сотни тысяч раз для питания большого количества небольших устройств в рамках Интернета вещей. Исследователи говорят, что это, вероятно, будет наиболее полезным в ситуациях вне сети или в удаленных местах, где небольшое количество электроэнергии может быть наиболее полезным.

«Растущий Интернет вещей требует все большего количества энергии, и мы считаем, что это должно исходить от систем, которые могут генерировать энергию, а не хранить ее, как батареи», — сказал профессор Кристофер Хоу с кафедры биохимии Кембриджского университета. Соавтор статьи.

Он добавил: «Наш фотосинтетический аппарат не работает так, как батарея, потому что он постоянно использует свет в качестве источника энергии».

В эксперименте устройство использовалось для питания Arm Cortex M0+, микропроцессора, широко используемого в устройствах IoT. Работая в домашних условиях и полуоткрытых условиях при естественном освещении и связанных с ним колебаниях температуры, после шести месяцев непрерывной выработки электроэнергии результаты были представлены для публикации.

Исследование было опубликовано 12 мая 2022 года в журнале Энергетика и науки об окружающей среде.

Доктор Паоло Бомбелли с факультета биохимии Кембриджского университета, первый автор статьи.

Водоросли не нуждаются в питании, потому что они сами создают себе питание, осуществляя фотосинтез. И хотя для процесса фотосинтеза требуется свет, устройство может продолжать вырабатывать энергию в темное время суток. Исследователи считают, что это связано с тем, что водоросли перерабатывают часть своей пищи, когда нет света, и это продолжает генерировать электрический ток.

Интернет вещей — это обширная и растущая сеть электронных устройств, каждое из которых потребляет очень мало энергии, которые собирают и обмениваются данными в режиме реального времени через Интернет. Используя недорогие компьютерные чипы и беспроводные сети, многие миллиарды устройств являются частью этой сети — от смарт-часов до датчиков температуры на электростанциях. Ожидается, что к 2035 году это число вырастет до одного триллиона устройств, что потребует большого количества портативных источников питания.

Исследователи говорят, что питать триллионы IoT-устройств литий-ионными батареями было бы нецелесообразно: им потребуется в три раза больше лития, чем ежегодно производится во всем мире. Обычные фотоэлектрические устройства изготавливаются с использованием опасных материалов, оказывающих неблагоприятное воздействие на окружающую среду.

Работа была результатом сотрудничества между Кембриджским университетом и Arm, ведущей фирмой по разработке микропроцессоров. Arm Research разработала сверхэффективный тестовый чип Arm Cortex M0+, изготовила плату и подготовила облачный интерфейс для сбора данных, показанных в экспериментах.

Ссылка: «Микропроцессорная работа при фотосинтезе» П. Бомбелли, А. Савант, А. Скарампи, С. Дж. Л. Роуден, Д. Х. Грин, А. Эрбе, Э. Орстол, И. Евремович, М. Ф. Хохманн-Марриотт, С. П. Трасатти, Э. Озер и CJ Howe, 12 мая 2022 г., доступно здесь. Энергетика и науки об окружающей среде.
DOI: 10.1039 / D2EE00233G

Исследование финансировалось Национальным центром инноваций в области биопленок.