«Наша разработка избавляет от отходов и очищает воду, одновременно давая электричество»
Биоинженер Иоаннис Иеропулос о новом способе получения энергии, основанном на метаболизме бактерий
Профессор Иоаннис Иеропулос — биоинженер в робототехнической лаборатории Бристольского университета в Англии. Он занимается разработкой микробных топливных элементов, которые позволят получать энергию более экологичным способом. Мы поговорили с профессором об исследованиях его лаборатории и будущем энергетики.
— Какие исследования сегодня проводит ваша лаборатория?
— Бристольский биоэнергетический центр интересует сфера биоэнергетики в целом: как мы можем утилизировать отходы и при этом извлечь пользу в виде электричества. Наша лаборатория, как ни странно, связана одновременно со сферами санитарии и робототехники. Это очень краткое описание того, чем мы занимаемся. Мы часть лаборатории робототехники, и в качестве представителей этой сферы можем предложить разнообразные технологические решения и способы их применения, включая энергетическую автономию и самообеспечивающиеся системы. Вы видите взаимодействие исследований биоэнергетики и самообеспечения, и это то, чем мы занимаемся. Мы разрабатываем системы, которые извлекают электричество из отходов, и эти системы могут быть самодостаточными — в системно-инженерном смысле.
— Главной темой ааших исследований являются микробные топлевные элементы. Не могли бы вы подробнее о них рассказать: как они работают и каков процесс их разработки?
— Разумеется, основная технология, которую мы разрабатываем — это микробные топлевные элементы (МТЭ). Они имеют долгую историю разработки: прошло более века с того момента, как была опубликована первая статья по этой теме. Это технология, которую мы очень стараемся развить в плане производства электричества. По сути это преобразователь энергии с двумя камерами, разделенными полупроницаемой перегородкой. Одним компонентом реакции служит камера, в которую помещаются бактерии, взятые из их естественной среды обитания, вторым компонентом служит другое отделение. Камера с бактериями носит название анодной. Если сравнивать с батарейкой, то эта камера будет эквивалентом минусового контакта. Вторая камера называется катодной, и она аналогична плюсовому контакту. Бактерии внутри анодной камеры получают углеродный источник энергии, который необходим им для роста и поддержания жизнедеятельности. Но потому, что они находятся в камере с электродом, единственным путем к выживанию для них будет переработка органического субстрата, которым мы их кормим, и они осуществляют анаэробное дыхание через этот электрод. Уникальной чертой этой технологии является то, что бактерии делают ровно то же самое, что и в естественных условиях, однако в МТЭ в результате анаэробного дыхания электроны покидают внутренность бактериальной клетки и попадают на электрод. Этот электрод в анодной камере, отрицательный электрод, соединен цепью или проводом с катодом. И это путь, по которому проходят электроны. Электроны, движущиеся от отрицательного электрода к положительному образуют электрический ток, производимый этим устройством. Таков принцип действия МТЭ.
— Каковы преимущества МТЭ перед источниками энергии, используюемыми сейчас?
— Это очень интересный вопрос. Современные, традиционные, источники энергии, которыми мы пользуемся, разрабатывались веками — и это был действительный технологический прогресс, а не просто НИОКР (научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки). Они в состоянии генерировать киловатты, мегаватты, гигаватты энергии, которые мы в настоящее время тратим. Один МТЭ по размеру меньше, чем, например, упаковка жевательной резинки. И эта технология находится на совершенно противоположном полюсе — она дает микроватты и миливатты. Так что мы на той стадии развития, когда одной из наших задач является увеличение масштаба технологии: так, что микро- и милливатты могут стать киловаттами и (почему бы и нет?) — мегаваттами. Это одно из основных отличий их от нынешних источников энергии. Уникальной их чертой является то, что, поскольку они опираются на метаболизм бактерий, это единственная технология, которая может получать электричество прямо от переработки мусора, который мы выбрасываем в мусорное ведро или спускаем в сточную трубу.
— Сможет ли в таком случае замена нынешних источников энергии на МТЭ решить хоть часть проблем с окружающей средой?
— Это отличный вопрос, поскольку ответом на него будет «Да!» с заглавной буквы. Когда микроорганизмы перерабатывают субстрат, который мы им скармливаем для их жизнедеятельности и роста (получая, тем самым, электричество), они фактически разлагают эти отходы, и это эквивалентно тому, что делают очистные станции на муниципальном уровне. Это один из главных аргументов в пользу нашей технологической разработки — то, что она избавляет нас от отходов и очищает воду, и одновременно с этим дает нам электричество. Так что на окружающей среде, возвращаясь к вашему вопросу, распространение МТЭ скажется безусловно позитивно, поскольку, где бы они ни были помещены, побочный продукт их действия будет намного чище, чем то, что мы им скормим, а вдобавок мы еще и извлечем электричество.
— Каковы будут преимущества этой технологии перед другими альтернативными источниками энергии, например, солнечными батареями, искусственным фотосинтезом и прочими?
— Одной из черт, отличающих МТЭ от данных технологий является то, что МТЭ могут работать днем и ночью, при широком спектре температур и в широком спектре внешних условий. Так что потенциально это технология, которая может работать на земле, под землей, там, где темно и влажно, равно как и там, где светит солнце. Причиной тому — тот факт, что эта технология использует живые организмы — бактерии — которые живут в природе, и потому это технология, которая может быть применена в самых разных условиях, так что она не зависит от наличия солнечного света или конкретной температуры — она будет работать в самых разных местах.
— На какой стадии развития находится сфера исследований МТЭ сейчас?
— На данный момент мы начали проводить исследования МТЭ применительно к туалетам и писсуарам — исследования, так сказать, «в поле», а не в лаборатории. Целью их является оценка того, насколько эта технология эффективна в данных условиях. Мы рассчитываем на коммерческое их применение, и мы уже вплотную подошли к этому. Мы провели два полевых исследования: первое — в виде «энергетического писсуара» на территории университета — рядом с баром студенческого союза. Испытание проходило с марта по май этого года, и мы возобновили его в сентябре. Второй же «энергетический писсуар» мы испытывали в течение Гластонберийского Музыкального Фестиваля. Оба испытания обеспечили нас разными типами информации, поскольку во время фестиваля этот писсуар использовало большее количество людей, а потому и количество перерабатываемого продукта было другим. Так что мы находимся в процессе сбора и анализа всей этой информации с целью понять, каким образом мы можем превратить это в коммерческий продукт.
— Каково будущее этой сферы?
— Мы бы хотели, чтобы в будущем эта технология широко применялась и совмещалась с уже существующими. МТЭ не обязательно должны заменить все — они скорее добавочная технология, которая может дополнить уже существующие, но она также может быть примененена в разных местах, разных частях общества, где вообще ничего подобного нет (где мусор не перерабатывается ради электричества). Так что мы можем представить себе, что люди будутразмещать МТЭ на своих задних дворах для переработки отходов домашнего хозяйства, извлекая из этого элетричество. Или же, их можно будет, к примеру, использовать как портативные заряжающие устройства для мобильных телефонов и другой техники. Помимо того, они могут быть совмещены с интеллектуальными тканями, подпитывая их энергией от переработки человеческих отходов — это очень локальное производство энергии, но оно будет всегда доступно в случае необходимости.
— Может ли это стать главным источником энергии?
— КПД у МТЭ, по нашим данным, намного выше, чем у остальных технологий энергоснабжения, просто благодаря эффективности бактериальных клеток. Сложности касаются скорее инженерной стороны вопроса — как увеличить масштаб системы, при этом сохраняя эту высокую производительность, так что вся энергия из отходов, мочи, загрязненной воды и прочего может быть превращена в электричество. Если это произойдет, водоочистные станции могут производить энергии столько же, сколько и потребляют, а может быть, даже больше — то есть достигнут высокой эффективности в получении энергии из переработки отходов. Эффективности настолько большой, что они будут производить больше, чем им требуется на переработку отходов. Так что мы видим развитие этой технологии скорее поступательным, постепенным — нельзя так просто предсказать будущее и сказать, что эта технология все заменит, ибо это будет слишком сильным заявлением. Однако эта технология потенциально может занять те ниши, где сейчас у нас ничего нет. Мне кажется неоправданно смелым утверждать, что МТЭ станут главным источником энергии, пока мы не провели исследования и не показали, что это действительно возможно.
— Если МТЭ будут использоваться в больших масштабах, будет ли у нас достаточно мусора и отходов, чтобы их обеспечивать? Например, чтобы обеспечить постоянную генерацию энергии для нужд одного дома?
— При данном положении вещей — том, как действует современное общество и как накапливается мусор в развитых странах — я думаю, что отходов у нас сейчас достаточно — больше, чем планета может выдержать. Так что в плане контроля и утилизации отходов это вполне может стать решением серьезной проблемы накопления мусора, равно как и проблемы очищения сточной воды, производимой сначала одним домом, а далее — и целым сообществом. Так что тут вопрос не о том, производит ли общество достаточное количество мусора, — а вопрос скорее о том, как мы можем при помощи технологических разработок использовать эти отходы для своей пользы.
Иоаннис Иеропулос
Полный текст статьи читайте на Postnauka.ru
