Utilizarea bacteriilor pentru a transforma lumina soarelui în energie electrică

De câțiva ani, cercetătorii încearcă să reconfigureze mecanismele fotosintezei în cianobacterii pentru a extrage energie. Acest lucru poate face posibilă satisfacerea unei părți semnificative a cerințelor de energie ale lumii din combinația de cianobacterii, lumina soarelui și apă.

Credit imagine: Dudarev Mikhail/Shutterstock.com

Viitorul energiei solare pare mai luminos decât oricând. Este evident că cea mai mare parte a consumului de energie al lumii va proveni din energia solară în viitorul apropiat.

În același timp, există câteva obstacole serioase în calea dezvoltării ulterioare a industriei. Eficiența de conversie a luminii solare a panourilor de silicon aproape a atins maximul. Prin urmare, există o căutare activă a oportunităților de a duce energia solară la un nou nivel.

Pe lângă tehnologiile clasice de creare a panourilor solare, există și o direcție mai puțin populară – biofotovoltaica. Folosește bacterii capabile de fotosinteză pentru a transforma lumina solară într-un curent electric.

Cum bacteriile transformă lumina soarelui în electricitate

În prezența apei și a luminii, cianobacteriile împarte moleculele de apă în oxigen molecular, un ion de hidrogen și un electron. Acest electron poate fi captat de un electrod și apoi folosit la un alt electrod pentru a converti oxigenul și hidrogenul înapoi în apă. Utilizarea microorganismelor fotosintetice pentru a transforma lumina solară în energie electrică se numește biofotovoltaic.

Cercetare și dezvoltare

Oamenii de știință au creat destul de multe variante de panouri solare biologice, dar toate rămân doar prototipuri de laborator.

Unul dintre motivele pentru aceasta este că durata de viață a bacteriilor este scurtă pentru aplicații reale din cauza biocompatibilității insuficiente.

Manu Sebastian Mannoor și colegii săi de la Universitatea Tehnologică Stevens au crescut durata de viață a cianobacteriilor din dispozitivele biofotovoltaice prin utilizarea ciupercilor ca substrat.

Ei au folosit ciuperci ca bază pentru panourile solare biologice care generează electricitate datorită cianobacteriilor sensibile la lumină.

Experimentele cu prototipuri imprimate 3D au arătat că ciupercile măresc supraviețuirea bacteriilor după imprimare. În plus, măsurătorile caracteristicilor electrice au arătat că curentul maxim generat este de aproximativ 67 de nanoamperi, iar imprimarea 3D a structurilor organizate crește cantitatea de curent în comparație cu bacteriile distribuite uniform.

Cercetătorii de la Imperial College London au demonstrat un tapet unic generator de energie, produs prin utilizarea cianobacteriilor ca cerneală. Cianobacteriile au fost imprimate de la o imprimantă cu jet de cerneală pentru a genera modele pe nanotuburi de carbon conducătoare electric și hârtie.

Potrivit studiului, microbii au supraviețuit procesului de imprimare și au fost capabili să efectueze fotosinteza, producând o cantitate modestă de electricitate timp de 100 de ore. Dezvoltatorii își numesc produsul un bio-baterie două în unu și un panou solar în același timp. Noul material de dimensiunea unei tablete ar putea furniza suficientă energie electrică pentru a alimenta un ceas digital sau un bec LED.


Photograph of the experimental setup (excluding the potentiostat), showing a pair of BPV modules printed in series. Image Credit: Sawa, M., Fantuzzi, A., Bombelli, P., Howe, C. J., Hellgardt, K., & Nixon, P. J. (2017)

Canadian scientists from the University of British Columbia decided to approach it differently. They embodied E. coli bacteria instead of cyanobacteria as solar cells, which have a promising application in solar energy harvesting under high cloud conditions. In addition, these bacteria actively release a large amount of lycopene, a natural dye that has great potential in converting heat into electricity.

Latest Research

Researchers at the University of Cambridge have 3D printed a grid of high-rise nano-housing in which cyanobacteria can grow rapidly. With this setup, scientists were able to extract more energy generated during photosynthesis from bacteria, which can be used to power small electronics.

The researchers considered that cyanobacteria must be coupled to electrodes to gather the energy they create through photosynthesis. Therefore, 3D printing was used to create electrodes consisting of metal oxide nanoparticles organized in densely packed sets of poles that resembled a miniature city with high-rise structures.

This city was populated by cyanobacteria, which produced electricity with great efficiency. The useful output of the system was so great that the amount of incoming energy increased by more than an order of magnitude. Another strength of this approach is that this printing technique can produce nanostructures of customizable length, which will benefit various fields and projects.


The University of Cambridge’s 3D-printed custom electrodes. Image Credit: Gabriella Bocchetti/University of Cambridge

Benefits of a Biophotovoltaic System

The benefit of a biophotovoltaic system over traditional solar systems is that its components (bacteria) are capable of reproduction, self-healing and can store energy in the dark. In addition, this process is environmentally friendly and produces no chemical waste.

The researchers believe that this discovery will pave the way for new electronic gadgets constructed as a by-product of generating electricity from bacteria. Disposable power supply integrated with paper sensors to monitor patients for medical purposes and environmental sensors to monitor interior air quality are just a few examples.

Future Developments

Scientists have long studied the ability of photosynthetic bacteria to convert sunlight, carbon dioxide and water into energy. By providing microorganisms with suitable housing, scientists have opened up new horizons in the bioenergy field.

Unfortunately, biophotovoltaics is currently limited by the high cost of devices, low productivity, and short service life. But scientists are confident that sooner or later, it will be brought to a commercial level.

References and Further Reading

Chen, X., Lawrence, J. M., Wey, L. T., Schertel, L., Jing, Q., Vignolini, S., … & Zhang, J. Z. (2022). 3D-printed hierarchical pillar array electrodes for high-performance semi-artificial photosynthesis. Nature Materials, 1-8. https://doi.org/10.1038/s41563-022-01205-5

Eurekalert. (2022). Tiny ‘Skyscrapers’ Help Bacteria Convert Sunlight into Electricity. [Online] Universitatea Cambridge. Disponibil la: https://www.eurekalert.org/news-releases/945274 (Accesat pe 20 martie 2022).

Joshi, S., Cook, E. și Mannoor, MS (2018). Nanobionica bacteriană prin imprimare 3D. Nano scrisori18(12), 7448-7456. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b02642

Sawa, M., Fantuzzi, A., Bombelli, P., Howe, CJ, Hellgardt, K. și Nixon, PJ (2017). Generarea de energie electrică din cianobacteriile imprimate digital. Comunicarea naturii8(1), 1-10. https://doi.org/10.1038/s41467-017-01084-4

Srivastava, SK, Piwek, P., Ayakar, SR, Bonakdarpour, A., Wilkinson, DP și Yadav, VG (2018). Un material fotovoltaic biogen. Mic, 14(26), 1800729. https://doi.org/10.1002/smll.201800729

Tschörtner, J., Lai, B. și Krömer, JO (2019). Biofotovoltaice: generarea de energie verde din lumina soarelui și apă. Frontiere în microbiologie10, 866. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.00866

Disclaimer: The views expressed here are those of the author expressed in their private capacity and do not necessarily represent the views of AZoM.com Limited T/A AZoNetwork the owner and operator of this website. This disclaimer forms part of the Terms and conditions of use of this website.

Leave a Comment

Your email address will not be published.