Dieses System, das Blaualgen enthält, versorgte einen Mikroprozessor ununterbrochen ein Jahr lang mit nichts als Umgebungslicht und Wasser. Bildnachweis: Paolo Bombelli
Algenbetriebenes Computing
Wissenschaftler verwendeten eine weit verbreitete Art von Blaualgen, um einen Mikroprozessor ein Jahr lang kontinuierlich mit Strom zu versorgen – Tendenz steigend – und dabei nichts als Umgebungslicht und Wasser zu verwenden. Ihr System hat das Potenzial, kleine elektronische Geräte zuverlässig und erneuerbar mit Strom zu versorgen.
Das System, das in seiner Größe mit einer AA-Batterie vergleichbar ist, enthält eine Art ungiftiger Algen namens Synechocystis die auf natürliche Weise durch Photosynthese Energie aus der Sonne gewinnt. Der dabei erzeugte winzige elektrische Strom interagiert dann mit einer Aluminiumelektrode und wird zur Stromversorgung eines Mikroprozessors verwendet.
„Unser photosynthetisches Gerät entlädt sich nicht wie eine Batterie, weil es kontinuierlich Licht als Energiequelle verwendet.“ — Chris Howe
Das System besteht aus gewöhnlichen, kostengünstigen und größtenteils recycelbaren Materialien. Dies bedeutet, dass es leicht hunderttausendfach repliziert werden könnte, um eine große Anzahl kleiner Geräte als Teil des Internets der Dinge mit Strom zu versorgen. Die Forscher sagen, dass es wahrscheinlich in netzfernen Situationen oder an abgelegenen Orten am nützlichsten ist, wo kleine Mengen an elektrischer Energie sehr vorteilhaft sein können.
„Das wachsende Internet der Dinge benötigt immer mehr Energie, und wir glauben, dass diese von Systemen kommen muss, die Energie erzeugen können, anstatt sie einfach wie Batterien zu speichern“, sagte Professor Christopher Howe vom Department of Biochemistry der University of Cambridge. gemeinsamer leitender Autor des Papiers.
Er fügte hinzu: „Unser photosynthetisches Gerät wird nicht so leer wie eine Batterie, weil es ständig Licht als Energiequelle verwendet.“
In dem Experiment wurde das Gerät verwendet, um einen Arm Cortex M0+ mit Strom zu versorgen, einen Mikroprozessor, der häufig in Internet-of-Things-Geräten verwendet wird. Es wurde in einer häuslichen Umgebung und halb im Freien unter natürlichen Lichtverhältnissen und damit verbundenen Temperaturschwankungen betrieben, und nach sechs Monaten kontinuierlicher Stromerzeugung wurden die Ergebnisse zur Veröffentlichung eingereicht.
Die Studie erscheint am 12. Mai 2022 im Journal Energie- und Umweltwissenschaften.
„Wir waren beeindruckt, wie konstant das System über einen langen Zeitraum funktionierte – wir dachten, es könnte nach ein paar Wochen aufhören, aber es lief einfach weiter“, sagte Dr. Paolo Bombelli vom Department of Biochemistry der University of Cambridge, Erstautor von das Papier.
Die Alge muss nicht gefüttert werden, da sie durch Photosynthese ihre eigene Nahrung herstellt. Und obwohl die Photosynthese Licht benötigt, kann das Gerät auch in Zeiten der Dunkelheit weiter Strom produzieren. Die Forscher vermuten, dass die Algen einen Teil ihrer Nahrung verarbeiten, wenn kein Licht vorhanden ist, wodurch weiterhin elektrischer Strom erzeugt wird.
Das Internet der Dinge ist ein riesiges und wachsendes Netzwerk elektronischer Geräte, die jeweils nur wenig Strom verbrauchen und Echtzeitdaten über das Internet sammeln und austauschen. Über kostengünstige Computerchips und drahtlose Netzwerke sind viele Milliarden Geräte Teil dieses Netzwerks – von der Smartwatch bis zum Temperatursensor in Kraftwerken. Es wird erwartet, dass diese Zahl bis 2035 auf eine Billion Geräte anwächst, die eine große Anzahl tragbarer Energiequellen erfordern.
Die Forscher sagen, dass es unpraktisch wäre, Billionen von Internet-of-Things-Geräten mit Lithium-Ionen-Batterien zu betreiben: Es würde dreimal mehr Lithium benötigen, als jährlich weltweit produziert wird. Und herkömmliche Photovoltaikgeräte werden aus gefährlichen Materialien hergestellt, die nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt haben.
Die Arbeit war eine Zusammenarbeit zwischen der University of Cambridge und Arm, einem Unternehmen, das in der Entwicklung von Mikroprozessoren führend ist. Arm Research entwickelte den hocheffizienten Arm Cortex M0+ Testchip, baute das Board und richtete die in den Experimenten vorgestellte Datenerfassungs-Cloud-Schnittstelle ein.
Referenz: „Powering a Mikroprozessor by Photosynthese“ von P. Bombelli, A. Savanth, A. Scarampi, SJL Rowden, DH Green, A. Erbe, E. Årstøl, I. Jevremovic, MF Hohmann-Marriott, SP Trasatti, E. Ozer und CJ Howe, 12. Mai 2022, Energie- und Umweltwissenschaften.
DOI: 10.1039/D2EE00233G
Die Forschung wurde vom National Biofilms Innovation Center finanziert.