Στο Πανεπιστήμιο Binghamton, ο καθηγητής Seokheun "Sean" Choi αναπτύσσει βιομπαταρίες που τροφοδοτούνται από βακτήρια για πάνω από μια δεκαετία. Αλλά ένα σημαντικό άλμα προς τα εμπρός ήρθε όταν συνεργάστηκε με έναν συνάδελφο ερευνητή ακριβώς κάτω.
Το αποτέλεσμα των ερευνών
Το αποτέλεσμα - μια βιομπαταρία υψηλής απόδοσης που μπορεί να τροφοδοτήσει μικρά ηλεκτρονικά χρησιμοποιώντας ενδοσπόρια και ανοξείδωτο χάλυβα, χωρίς να χρειάζεται λίθιο ή τοξικές χημικές ουσίες.
Ο Choi, ο οποίος διδάσκει στο Κολέγιο Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών Thomas J. Watson, αντιμετώπιζε εδώ και καιρό περιορισμούς υλικών. Το εμπορικό πλέγμα από ανοξείδωτο χάλυβα κατασκευάστηκε για ανθεκτικές ανόδους, αλλά η ομάδα δεν μπορούσε να ελέγξει τις ιδιότητες της επιφάνειας όπως το πορώδες και η τραχύτητα. Αυτές οι λεπτομέρειες είναι καθοριστικές για την ανάπτυξη βακτηρίων και, με τη σειρά τους, την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Τότε στράφηκε στον Επίκουρο Καθηγητή Dehao Liu από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών. Ο Liu είναι ειδικός στη σύντηξη κλίνης σκόνης με λέιζερ (LPBF), μια μέθοδο τρισδιάστατης εκτύπωσης που κατασκευάζει μεταλλικές κατασκευές στρώμα προς στρώμα με εξαιρετική ακρίβεια.
«Το LPBF είναι ιδανικό για βιομπαταρίες επειδή επιτρέπει την κατασκευή τρισδιάστατων δομών υψηλής ακρίβειας, με δυνατότητα προσαρμογής, με σύνθετες γεωμετρίες, απαραίτητες για τη μεγιστοποίηση της επιφάνειας και της ενεργειακής πυκνότητας», δήλωσε ο Liu.
Η τρισδιάστατη εκτύπωση λύνει παλιά προβλήματα
Μαζί, τα δύο εργαστήρια εκτύπωσαν τρισδιάστατα προσαρμοσμένα μέρη μπαταριών, συμπεριλαμβανομένης της ανόδου, της καθόδου και ενός καλύμματος στεγανοποίησης, και τα συναρμολόγησαν σαν τουβλάκια Lego. Η εργασία τους σκιαγραφεί μία από τις βιομπαταρίες με βάση βακτήρια υψηλότερης απόδοσης που έχει κατασκευάσει μέχρι σήμερα η ομάδα του Choi.
Τα στοιχεία ισχύος που βασίζονται σε βακτήρια χρειάζονται μερικά βασικά συστατικά: μια κάθοδο, μια άνοδο και μια μεμβράνη όπου η ανταλλαγή ιόντων δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα.
Η άνοδος είναι το σπίτι των βακτηρίων και όσο μεγαλύτερη επιφάνεια προσφέρει, τόσο περισσότερη ενέργεια μπορούν να παράγουν τα μικρόβια.
«Μια δισδιάστατη άνοδος δεν είναι αποτελεσματική», δήλωσε ο Choi. «Τα θρεπτικά συστατικά δεν θα μεταφερθούν αποτελεσματικά στα βακτήρια και τα απόβλητά τους δεν μπορούν να αποβληθούν αποτελεσματικά».
Οι τυπικές μέθοδοι κατασκευής δυσκολεύονται να δημιουργήσουν αποτελεσματικές τρισδιάστατες ανόδους. Οι περισσότερες επιλογές με βάση τον άνθρακα ή τα πολυμερή είναι ασθενείς ή απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες που σκοτώνουν τα βακτήρια.
Ο ανοξείδωτος χάλυβας έχει καλύτερη αγωγιμότητα και δομή, αλλά το εμπορικό πλέγμα δεν διαθέτει την ευελιξία σχεδιασμού που απαιτείται για τον ιδανικό βακτηριακό αποικισμό.
Η μέθοδος LPBF
Η μέθοδος έδωσε στην ομάδα νανοκλίμακα έλεγχο του σχήματος και της δομής, επιτρέποντάς τους να σχεδιάσουν την άνοδο και άλλα μέρη για μέγιστη απόδοση και εύκολη συναρμολόγηση.
Τα εξαρτήματα από ανοξείδωτο χάλυβα αποδείχθηκαν επίσης επαναχρησιμοποιήσιμα. «Μπορείτε να αποσυνδέσετε τα βακτηριακά κύτταρα και στη συνέχεια να τα επαναχρησιμοποιήσετε και δείξαμε μετά από μια σειρά χρήσεων ότι τα επίπεδα ισχύος διατηρούνται», είπε ο Choi.
Η νέα μέθοδος τρισδιάστατης εκτύπωσης επιτρέπει στους ερευνητές να τελειοποιούν τις ανόδους από ανοξείδωτο χάλυβα για να ενισχύσουν την παραγωγή βακτηριακής ενέργειας.
www.worldenergynews.gr
