Ензим чудо в бактерии трансформира водорода, нанопори събират eлектричеството от водни капчици във влажен въздух - идеите са на учени от Австралия и САЩ

Учени от Австралия и САЩ независимо едни от други намериха начин да правят ток от... нищото. Двата екипа съобщиха за разработките си неотдавна в авторитетните научни издания Nature и Advanced Materials.

Ензим чудо в бактериите, които пречистват въздуха, може да превърне водорода в електричество. Подробности за откритието на група микробиолози от Австралия може да се намерят в сп. Nature.

“От известно време знаехме, че бактериите могат да използват следите от водород във въздуха като източник на енергия, за да могат да оцелеят, включително в антарктически почви, вулканични кратери и в дълбокия океан. Но не знаехме как точно става това”, казва микробиологът Крис Грийнинг.

Сега той и екип от експерти от университета Монаш в Австралия смятат, че са намерили отговора.

Ензимът, който учените нарекоха HUC, е изолиран в бактерията Mycobacterium smegmatis. “Искахме да изолираме ензима от бактерия, способна да пречиства атмосферния водород. Това е предизвикателство, защото те са трудни за култивиране”, казва Рис Гринтер, микробиолог и водещ автор на изследването.

Изследователите изолирали HUC с помощта на техника, наречена хроматография, която позволява разделянето на компоненти. След това разгледали ензима с криоелектронна микроскопия - техника, която се прилата към проби, охладени до криогенна температура. Това им позволило да картографират атомната структура на ензима и електрическите пътища, които използва за пренасяне на електроните.

Докато го проучвали, учените установили, че HUC има структура със заредени йони на никел и желязо. Когато молекулите на водорода (два протона, два електрона) попаднат там, те губят своите електрони. HUC изпраща тези електрони в поток, за да създаде ток.

Изследователите използвали и методи на електрохимията, за да демонстрират, че HUC може да преобразува малки концентрации на водород във въздуха директно в електричество. Лабораторните тестове показали, че е възможно пречистеният ензим да се съхранява за дълги периоди.

И досега се смяташе, че бактериите премахват над 70 милиона тона водород от атмосферата годишно. Това е процес, който “оформя” състава на въздуха, който дишаме. Ако 60 до 80% от бактериите чистачи имат ензима HUC, както смятат изследователите, това означава, че количеството електричество, което един ден може да бъде взето от биологични източници, е значително.

Макар че новото откритие има дълъг списък от потенциални енергийни приложения, все пак има и доста въпросителни. Една от тях е малкото количество водород, до което ензимът има достъп във въздуха. Въпреки това изследователите вярват, че един ден HUC може да се използва за захранване на малка електроника. Ако му бъде даден голям източник на водород, приложенията на HUC може да се разширят, смятат учените.

Техни колеги от университета в Масачузетс “Амхърст” пък публикуваха свое проучване в сп. Advanced Materials, от което излиза, че може да се генерира електричество от влажността на въздуха. Нужно е устройство, което може да бъде направено от почти всяко вещество. То включва 2 електрода и тънък слой материал, който трябва да има пори с диаметър, по-малък от 100 нанометра - около една хилядна от ширината на човешки косъм. Тъкмо този материал може да събира електричеството, генерирано от микроскопични водни капчици във влажен въздух.

“Въздухът съдържа огромно количество електричество. Помислете за облак, който не е нищо повече от маса водни капчици. Всяка капчица съдържа заряд. Когато условията са подходящи, облакът може да произведе мълния, но ние не знаем как надеждно да улавяме електричеството от светкавица. Сега създадохме малък “облак”, който произвежда електричество предсказуемо и непрекъснато, така че да можем да го събираме”, казва инженерът Джун Яо, който е част от екипа, пред Washington Post.

Преди време същият екип разработи “събирач” на въздушна енергия от влажен въздух, който разчиташе на протеинови нановръзки, отгледани от бактерията Geobacter sulfurreducens.

“След откритието за Geobacter, разбрхме, че може да се генерира електричество от въздуха, затова го нарекохме “Air-gen ефект”. Почти всеки вид материал може да събира електричество от въздуха, стига да има определени свойства”, обяснява Яо.

Такова свойство са нанопорите. Техният размер се определя от средния свободен път на водните молекули във влажния въздух. Това е разстоянието, което една водна молекула може да измине във въздуха, преди да се сблъска с друга.

Air-gen е направено от тънък филм от целулоза, копринен протеин или графенов оксид. Молекулите на водата във въздуха могат лесно да навлязат в нанопорите и да “пътуват” от горната част на устройството към дъното. Докато се движат, те се натъкват на страните на порите и се удрят в тях. Това движение зарежда материала. Тъй като повече водни молекули се събират в горната част, възниква дисбаланс на заряда между двете страни. Това създава ефект, подобен на този, който виждаме в облаците, произвеждащи мълнии - издигащият се въздух предизвиква повече сблъсъци между водните капки в горната част на облака, което води до излишък на положителен заряд в по-високата част и излишък на отрицателен заряд в по-ниската. На практика това кара устройството да работи като батерия. Целият процес наподобява начина, по който облаците произвеждат електричество, което виждаме под формата на мълнии, казва Моли Глик в сп. Inverse.

Новото откритие прави предишното устройство много по-практично, то “превръща първоначално тесен прозорец в широко отворена врата за широк потенциал”, казва Яо пред Vice.

Следващата стъпка на учените е да тестват устройствата в различни среди, а също да работят по мащабирането им. Така или иначе общият ефект на Air-gen е реален и възможностите, които представлява, са обнадеждаващи. “Отваряме широка врата за събиране на чиста електроенергия от въздуха”, казва Яо.

Изследователите се надяват, че някой ден това може да се превърне в практичен, устойчив източник на енергия. “Земята е покрита с дебел слой влага. Това е огромен източник на чиста енергия. Това е само началото в използването на това”, казва Яо пред Washington Post.

Ентусиастите напомнят, че влажността е неотменна част от състава на въздуха на големи райони от планетата. Според тях устройство, генериращо енергия от влага, може да работи на почти всяко място и по всяко време на деня. Колко водна пара може да побере въздухът зависи от температурата. По-топлият въздух може да побере повече водна пара.

“Откритието е забележително и може да има огромно въздействие”, казва Джеймс Тур, химик от университета “Райс”, който не е участвал в изследването, пред Boston Globe.

Други изследователи обаче поставят под съмнение дали устройството може да бъде увеличено достатъчно, за да бъде полезно. Сред тях е химикът Доналд Садоуей от Масачузетския технологичен институт. “Инвеститорите биха попитали какво да очакваме по отношение на изходната мощност във ватове, а също и каква ще е цената”, казва той пред Boston Globe.

Авторите на иновативната идея уточняват, че проучването им е все още в начален етап. Целулозният филм, който екипът тества, има изходно напрежение от 260 миливолта, докато мобилен телефон изисква изходно напрежение от около 5 волта. Филмите обаче са толкова тънки, че биха могли да бъдат “натрупани”, за да произведат повече енергия и да ги направят практически приложими.

Друг обнадеждаващ факт е, че може да бъдат направени от различни материали и следователно да се адаптират за средата, в която ще се използват.

Новата разработка все още не е технология, готова за практическо приложение, но надхвърля някои ограничения на други подобни разработки, смятат експерти, които наблюдават тази област. Предстои да видим дали ще успее да застане до вече установени източници на чиста енергия, каквито са вятърната и слънчевата енергия. Вятърните турбини и слънчевите панели също са започнали от една добра идея, нали?