Ogniwa paliwowe o wysokiej gęstości magazynowania energii, działające na cukier mogą potencjalnie zasilić nasze elektroniczne gadżety w ciągu zaledwie trzech lat. Tego zdania są naukowcy z Virginia Polytechnic Institute and State University w Stanach Zjednoczonych, którzy zademonstrowali ostatnio eksperymentalną biobaterię, konwertującą energię chemiczną zmagazynowaną w glukozie na energię elektryczną.
Co roku na całym świecie wyrzucanych jest na śmietnik dziesiątki miliardów akumulatorów. Materiały użyte do ich budowy, a niewykorzystane ponownie w procesie recyklingu stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia ludzi, zwierząt oraz środowiska naturalnego. Najpopularniejsze obecnie baterie litowo-jonowe mają ograniczoną długość życia, a do ich produkcji wykorzystuje się drogie metale. Z powodu rosnącego zapotrzebowania na sprzęt elektroniczny – tablety, smartfony, laptopy, rośnie także popyt na odnawialne magazyny energii. Nie jest to jedyne zastosowanie, gdyż coraz częściej akumulatory Li-ion montowane są w pojazdach elektrycznych, hybrydowych oraz samolotach. Wadą takich urządzeń jest ich nietrwałość – elektrolit może wyciec, zapalić się lub wybuchnąć, jeśli bateria zostanie poddana działaniu wysokich temperatur (np. podczas upalnych i słonecznych dni lub w czasie ładowania). Zwarcie akumulatora może doprowadzić do zapłonu lub eksplozji. Biobateria stworzona przez naukowców z Virginia Tech może stanowić wykonalne rozwiązanie dla powyższych problemów. Ogniwo paliwowe (nazywane często błędnie akumulatorem) zasilane glukozą badacze chcą wprowadzić na rynek w ciągu następnych trzech lat. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane 21 stycznia 2014 roku, w czasopiśmie Nature Communications.
Glukoza, fruktoza, sacharoza to doskonałe źródła energii. Większość żywych komórek generuje energię z glukozy poprzez jej przepuszczenie przez łańcuchy enzymów, przekształcających ją w inne formy cukrów. Enzymatyczna kaskada zapewnia energię niezbędną do stworzenia elektrochemicznego gradientu. Z kolei ta energia może zostać wykorzystywana do do zasilania enzymów syntezujących trifosforan adenozyny (z ang. adenosine triphosphate, ATP), organiczny związek chemiczny, który jest nośnikiem w wewnątrzkomórkowym transporcie energii. Zgromadzona w nim energia służy do przeprowadzania różnorodnych procesów, jak biosyntezy, ruchu i podziału komórki. Cykl ten zachodzi bezustannie w organizmach żywych. Naukowcy z USA postanowili skopiować zachowanie natury i przenieść proces pozyskiwania energii z cukrów do zasilania przenośnych urządzeń.
Paliwem w biobaterii była maltodekstryna (z ang. maltodextrin), polimer – polisacharyd, stosowany jako dodatek do żywności. Jest on wytwarzany ze skrobi przez częściową hydrolizę. Maltodekstryna jest łatwo przyswajalna, ponieważ składa się z zespołów łańcuchów D-glukozy o różnej długości. Jest umiarkowanie słodka i prawie bez zapachu. Powszechnie można ją odnaleźć w napojach gazowanych i słodyczach oraz w piwie (zwiększa gęstość produktu końcowego). Zwykle występuje w postaci białego, higroskopijnego proszku. Jednak najważniejszą częścią w projekcie biobaterii było opracowanie procesu “sztucznego metabolizmu” do rozkładu cukru i pozyskania energii elektrycznej. Inżynierowie ułożyli ścieżkę z trzynastu różnych nieimmobilizowanych enzymów, co umożliwiło pozyskanie średnio 24 elektronów z jednej jednostki glukozy. W przeciwieństwie do naturalnych szlaków katabolicznych, sztuczna droga konwersji glukozy nie opierała się na ATP jako nośnikach energii. Zamiast tego, naukowcy użyli dwóch enzymów przemian redoks, generujących zredukowaną formę dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NADH), czyli NAD+. Pozostałe enzymy prowadziły rozkład cukrów, wytwarzając NADH oraz wodę i dwutlenek węgla jako produkty uboczne. NAD+ jako ośrodek zredukowany odpowiadał za transport elektronów. W ten sposób ogniwo paliwowe naśladowało sposób wytwarzania energii i jej przenoszenia z jednej cząsteczki do drugiej w żywych komórkach.
Prototyp miał podobne wymiary co typowa bateria AA, przy gęstości magazynowania energii na poziomie 596 Ah/kg (około 10 razy większej, niż posiadają baterie litowo-jonowe w telefonach komórkowych). Maksymalna moc wyjściowa wynosiła 0,8 mW/cm^2, a gęstości prądu 6 mA/cm^2. Zdaniem zespołu, ogniwo już na starcie ma więcej zalet w porównaniu do akumulatorów Li-ion: wykorzystuje obfite, odnawialne źródła, posiada wysoką gęstość składowania energii, może być łatwo i szybko doładowana przez dolanie roztworu cukru. Ponadto, jest bezpieczne dla środowiska oraz całkowicie biodegradowalne. Kolejnym pozytywnym czynnikiem jest cena enzymów, która jest znacznie niższa niż koszt metali stosowanych w konwencjonalnych bateriach.
Badacze mają nadzieję, że ich produkt będzie stanowił następną generację źródeł zielonej energii oraz podstawę zasilania przenośnych gadżetów. Póki co, inżynierów czeka jeszcze dużo pracy nad stabilnością działania oraz żywotnością. Można się spodziewać, że wydajność wraz z użytkowaniem z pewnością będzie się obniżać, na co szczególny wpływ ma wrażliwość enzymów na zmiany temperatury.
Źródło:
[1] Zhiguang Zhu, Tsz Kin Tam, Fangfang Sun, Chun You, Y. -H. Percival Zhang. A high-energy-density sugar biobattery based on a synthetic enzymatic pathway. Nature Communications, 2014; 5 DOI: 10.1038/ncomms4026
[2] http://www.nature.com/ncomms/2014/140121/ncomms4026/full/ncomms4026.html [13.02.2014]
[3] http://www.nature.com/ncomms/2014/140121/ncomms4026/extref/ncomms4026-s1.pdf [13.02.2014]
[4] http://www.extremetech.com/extreme/175137-sugar-powered-biobattery-has-10-times-the-energy-storage-of-lithium-your-smartphone-might-soon-run-on-enzymes [13.02.2014]
[5] http://www.newswise.com/articles/sweet-science-virginia-tech-researcher-develops-energy-dense-sugar-battery [13.02.2014]
[6] sugar rim by goodmami, flickr.com, CC BY-SA 2.0