Создана батарея, в которой микробы вырабатывают электричество прямо из метана

Биотехнологии — штука любопытная, но редко применяющаяся в автопромышленности. Однако недавний эксперимент показал, что микробы могут стать сердцем перспективного метанового топливного элемента в автомобилях.

Зачем автомобилям переходить на другое топливо

Углеводородное топливо не экологично от слова совсем, но при этом выигрывает у любых альтернативных технологий по удельной энергоемкости. Сотня литров бензина (примерно 75 килограмм) увезет машину значительно дальше, чем аккумулятор массой вдесятеро больше. Даже если рассматривать наиболее зеленый вид горючих полезных ископаемых — природный газ (метан), при учете необходимых для его хранения под давлением тяжелых баллонов он все равно оказывается выгоднее батарей по весу.

Но эффективность сжигания как бензина с соляркой, так и метана с пропаном в двигателях не превышает 50% даже в лаборатории. Больше этого предела из них полезной энергии не получить (в реальных условиях и вовсе получается едва 20-35%). А сажа, микрочастицы которой буквально убивают миллионы человек в год, все равно остаются. В решении этой проблемы человечеству могут помочь микроорганизмы. Природный газ реально использовать в своеобразных топливных элементах аналогично водороду, но при этом не связываться с данным очень проблемным энергоносителем.

Если говорить максимально просто, все биохимические процессы представляют собой обмен электронами. А электрический ток — как раз направленное движение электронов. Ученые уже не раз помещали катод с анодом в пробирку с биомассой и получали разницу потенциалов на них. А теперь специалисты из Университета Неймегена (Radboud University Nijmegen) в Нидерландах нашли способ «скармливать» микробам метан, а на выходе получать энергию. Без промежуточных стадий либо технических процессов.

Батарея на метане

Справедливости ради — нидерландские ученые не собирались разрабатывать непосредственно «метановый топливный элемент». Но в их исследовании требовалось отслеживать электрохимическую реакцию в ходе метаболизма микробов. Так что на деле они собрали полноценную батарею или, если говорить научным языком, гальванический элемент. В котором катализатором реакции выступали микроорганизмы Candidatus Methanoperedens nitroreducens. Это открытые в 2006 году археи (развивавшиеся «параллельно» бактериям одноклеточные, лишенные ядра), которые способны без доступа к кислороду (анаэробно) окислять метан в присутствии нитритов (соединения с ионом NO⁻₂ в составе).

Биоэлектрохимическая система - это две емкости, соединенные через ионообменную мембрану (E), выполняющую функцию, аналогичную сепаратору в аккумуляторах и батареях. В одной залит буферный раствор и находится электрод из нержавеющей стали (A). Во второй — питательная среда, референсный электрод (D) и анод из углеродной ткани (B), на которую поместили культуру исследуемых микроорганизмов. В ходе серии экспериментов емкости наполняли газами (метаном, азотом или аргоном) через подводку (C), а также непрерывно анализировали электрические показатели с помощью потенциостата (F).

Подробно свою работу ученые описали в статье, которая опубликована журналом Frontiers in Microbiology. Для автомобилистов и любопытствующих в области современной энергетики главное вот в чем: археи смогли переработать около трети всего поступившего в установку метана и выработали электричество. Да, эффективность составила всего лишь 17%, и лишь 38% полученного тока однозначно связаны с «поеданием» природного газа микроорганизмами. На выходе реакции получаются углекислый газ, азот и вода. Однако это лишь первый шаг.

Потенциально этот эксперимент может стать началом целой новой страницы в истории транспорта и энергетики. Такой «топливный элемент» не требует дополнительного источника энергии, способен работать на газе любого качества и навряд ли будет стоить больших денег. Источников дармового метана в современном мире невообразимое количество — от мусорных свалок и сточных вод до сельского хозяйства и химической промышленности. Сейчас этот газ просто выбрасывается в атмосферу, где влияет на парниковый эффект гораздо сильнее, чем CO2 (который еще и на урожайность растений положительно влияет и вообще не так уж опасен в целом).

Альтернативная стезя развития подобной технологии — миниатюризация и повышение эффективности. Тогда метанотрофные археи могут запросто поселиться в машинах, которым больше не потребуются массивные аккумуляторы или ДВС для сжигания метана. У водорода этот подход выигрывает, как минимум, по вопросам готовности инфраструктуры (заправки с компримированным природным газом довольно распространены) и безопасности (метану не свойственно просачиваться через микротрещины и пустоты в кристаллических решетках металлов).

Да, конечно, будущим исследователям «микробных топливных элементов», если таковые появятся, придется решить множество проблем. Как минимум, выделить отдельную культуру Methanoperedens nitroreducens, что до сих пор не удалось. Слово candidatus в названии вида микроорганизмов именно это и означает — мы пока лишь умеем выращивать культуру с высоким содержанием нужного микроба. Ведь может оказаться, что для целевой реакции требуется не только конкретный вид археи, но и парочка симбионтов или просто соседей по биомассе, без которых процесс идет хуже или вовсе невозможен.

В любом случае, будущее, в котором машине требуется лишь газ и периодические «доливы» питательной смеси, а сложных ДВС и огромных батарей нет, выглядит очень привлекательным. Мало какой фантаст до подобного мог додуматься.