Бактерии-электрики: инженеры нашли способ превращать углекислый газ в топливо в промышленных масштабах13.05.2026 06:30

Международная группа инженеров-экологов под руководством профессора Брюса Логана (Bruce E. Logan) из Пенсильванского государственного университета (часто позиционируют как ведущего мирового эксперта по микробным топливным элементам и биоэлектрохимическим системам) разработала новую конструкцию биореактора, способную решить проблему хранения «зелёной» энергии. Устройство использует живые микроорганизмы для превращения избыточного электричества от солнечных или ветряных станций и углекислого газа в метан — основной компонент природного газа. Главным достижением стало успешное масштабирование технологии: учёные увеличили площадь электродов в 10 раз по сравнению с лабораторными прототипами, сохранив при этом высочайшую производительность.

Ключевой особенностью системы стала архитектура с «нулевым зазором» (zero-gap configuration). В обычных установках анод и катод разделены слоем жидкости, который создаёт сильное сопротивление току. В новом реакторе электроды прижаты вплотную к ионообменной мембране, что позволило радикально снизить потери энергии. Благодаря этому удалось достичь энергетической эффективности в 45,2% при стандартной температуре 30 °C. Для систем такого типа, работающих без внешнего подогрева, это один из самых высоких показателей в мире.

До этой работы большинство систем микробного электросинтеза (MES) успешно работали только в маленьких лабораторных сосудах (так называемых H-ячейках). Когда такие системы пытаются просто «раздуть» до промышленных размеров, возникают огромные потери: растёт внутреннее сопротивление, из-за чего падает энергоэффективность. Кроме того, появляется неравномерность: на входе в реактор бактерии работают активно, а на выходе им уже не хватает «топлива» (водорода) или условий для жизни.

Процесс превращения газа в топливо обеспечивают археи рода Метанобактериум. Эти микробы выступают в роли живых катализаторов: они поглощают водород, который вырабатывается на поверхности катода, и используют его как «мостик» для получения электронов, необходимых для восстановления CO2 до метана. Исследователи доказали, что даже при удлинении пути потока внутри реактора до 30 сантиметров, бактерии работают одинаково эффективно как в начале, так и в конце «очереди» за питанием.

Для проектирования системы специалисты применили сложное математическое моделирование на базе уравнений Бринкмана и Навье-Стокса. Это позволило рассчитать движение потоков жидкости так, чтобы избежать застойных зон. Модель впервые учла процессы генерации водорода прямо на месте и его мгновенное потребление микробами. Визуализация подтвердила: водород распределяется равномерно по всей 30-сантиметровой панели, обеспечивая стабильную работу биоплёнки.

Генетический анализ подтвердил выводы инженеров: состав микробного сообщества оставался стабильным на всех участках огромного электрода. Доля метанообразующих архей составила около 60% в нижней части и более 50% в верхней. Такое незначительное различие говорит о том, что учёным удалось создать идеальное микроокружение для жизни бактерий-электриков даже в условиях значительного увеличения объёма системы.

Скорость производства метана в новом реакторе достигла 6,9 литра на каждый литр объёма устройства в сутки при плотности тока 17,5 ампер на квадратный метр. При этом эффективность использования электричества (кулоновская эффективность) превысила 95%, что означает практически полное отсутствие побочных продуктов. Система работает при напряжении от 2,3 В до 2,8 В, что делает её совместимой со стандартными промышленными электролизёрами.

Работа, профинансированная Центром исследования CO2 фонда «Ново Нордиск», доказывает, что микробный электросинтез готов выйти за пределы лабораторий. Учёные создали не просто эксперимент, а жизнеспособную инженерную модель для строительства заводов по утилизации углерода.

Это исследование открывает путь к созданию масштабных систем хранения энергии в виде газа. В отличие от аккумуляторов, метан можно легко закачивать в существующие газохранилища и использовать в отоплении или промышленности, одновременно снижая концентрацию парниковых газов в атмосфере. Теперь разработчики планируют дальнейшее увеличение систем, чтобы довести технологию до стадии коммерческого внедрения.

Ранее в этой категории: инженеры представили проект автономных подводных батарей, работающих в рамках программы DARPA BLUE. В отличие от систем синтеза топлива, эти устройства используют микробные топливные элементы для питания глубоководных сенсоров. Бактерии в них перерабатывают органику прямо из морской воды, выделяя электроны и превращая их в ток. Использование активированного угля позволило системе стабильно работать даже в агрессивной кислородной среде океана, обеспечивая датчики энергией без необходимости замены аккумуляторов.

©  iXBT