EnglishDarmvlokken inspireren bacteriebatterij met hoger vermogen per volume
Onderzoekers van Binghamton University bouwden een bacteriebatterij met een elektrode in de vorm van darmvlokken. In een proef leverde die per volume ruim acht keer zoveel vermogen als hun vlakke elektrode.
Een batterij die bacteriën gebruikt om stroom op te wekken, heeft ruimte nodig waar die bacteriën kunnen leven en eten. Onderzoekers van Binghamton University hebben daarvoor een elektrode gemaakt met kleine uitstulpingen. Het ontwerp is geïnspireerd op de darmvlokken in de dunne darm.
In een proef leverde de nieuwe elektrode per volume ongeveer 8,3 keer zoveel vermogen als een vlakke elektrode van hetzelfde volume, meldt New Atlas. Het gaat om een vergelijking met het eigen vlakke ontwerp van de onderzoekers, niet met alle bestaande bacteriebatterijen.
Het onderzoek verscheen in het wetenschappelijke tijdschrift Small. Het team bestaat uit hoogleraar Seokheun Choi en promovendi Ruohan Zhang en Botian Wang.
Meer ruimte voor bacteriën
De batterij is een zogeheten microbiële brandstofcel. Daarin halen bacteriën energie uit organisch materiaal en komen elektronen vrij. Een elektrode vangt die elektronen op. Ze gaan vervolgens via een stroomkring naar een tweede elektrode en leveren zo elektriciteit.
Een vlakke elektrode biedt beperkt oppervlak voor bacteriën. Materiaal met veel kleine openingen biedt meer ruimte, maar die openingen kunnen volgens Choi verstopt raken door lagen bacteriën. Dan bereiken voedingsstoffen de bacteriën minder goed en hopen afvalstoffen zich op.
Darmvlokken zijn kleine, vingervormige uitstulpingen die het oppervlak voor de opname van voedingsstoffen in de dunne darm vergroten. De onderzoekers maakten buigzame zuiltjes met een vergelijkbare vorm. Zo krijgen de bacteriën meer ruimte, terwijl voedingsstoffen en afvalstoffen langs de zuiltjes kunnen stromen.
De zuiltjes zijn gemaakt van een geleidende gel die water vasthoudt. Daarin zitten slapende sporen van bacteriën. Als die een geschikte voedingsoplossing krijgen, worden de bacteriën actief en produceren ze elektriciteit.
De eerste proeven
Volgens New Atlas behaalde de elektrode met uitstulpingen een vermogen van 66,45 microwatt per kubieke centimeter. De vlakke elektrode kwam bij hetzelfde volume op 8,04 microwatt per kubieke centimeter. Een microwatt is een miljoenste van een watt. Dat is te weinig voor een telefoon, maar volgens de universiteit genoeg voor kleine lampjes of heel zuinige sensoren.
In een andere proef hield de batterij volgens de universiteit minstens 14 uur een spanning van ongeveer 0,75 volt, terwijl er voortdurend voedingsvloeistof werd toegevoerd.
De onderzoekers testten ook buigzame ontwerpen in een nagebootste afvalwaterleiding. Daarbij gebruikten ze een voedingsoplossing die afvalwater nabootste, geen echt afvalwater. Het idee is dat bacteriën later het organische materiaal in afvalwater gebruiken om sensoren in zulke leidingen van stroom te voorzien. De volgende stap zijn proeven met echt afvalwater en echte sensoren.
Het team werkt ook aan een printmethode om de batterijen in één stap en op grotere schaal te maken. Verder willen de onderzoekers de omgeving van de darm beter nabootsen, zodat de bacteriën langer actief blijven.
Een heel andere manier om op kleine schaal stroom op te wekken is warmte direct in stroom omzetten met een dun laagje materiaal. Bij de bacteriebatterij komt de energie juist uit het organische materiaal dat de bacteriën opnemen.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Steeds meer kleine sensoren meten wat er in leidingen, rivieren en gebouwen gebeurt. Al die sensoren hebben stroom nodig, en batterijen vervangen op moeilijk bereikbare plekken is lastig. Een bacteriebatterij die zich voedt met wat er toch al door de leiding stroomt, zou zo'n sensor jarenlang zelf van stroom kunnen voorzien. Deze proef laat zien dat een slimme vorm uit de natuur het vermogen van zo'n batterij flink kan vergroten. Proeven met echt afvalwater moeten laten zien hoe ver dat in de praktijk komt.
