En av de stora problemen med hållbara energisystem är hur man lagrar el som genereras från vind, sol och vågor. För närvarande, ingen befintlig teknik ger storskalig lagring och energiåtervinning för hållbar energi till en låg ekonomisk och miljömässig kostnad.

Konstruerade elektroaktiva mikrober skulle kunna vara en del av lösningen; dessa mikrober kan låna en elektron från sol- eller vindelektricitet och använda energin för att bryta isär koldioxidmolekyler från luften. Mikroberna kan sedan ta kolatomerna för att göra biobränslen, såsom isobutanol eller propanol, som kan brännas i en generator eller läggas till bensin, till exempel.

"Vi tror att biologi spelar en viktig roll för att skapa en hållbar energiinfrastruktur, sa Buz Barstow, biträdande professor i biologisk och miljöteknik vid Cornell University. "Vissa roller kommer att vara biroller och vissa kommer att vara stora roller, och vi försöker hitta alla de platser där biologi kan fungera."

Barstow är senior författare till "Elektrisk energilagring med konstruerade biologiska system, " publicerad i Journal of Biological Engineering .

Att lägga till elektriskt konstruerade (syntetiska eller icke-biologiska) element kan göra detta tillvägagångssätt ännu mer produktivt och effektivt än enbart mikrober. På samma gång, att ha många alternativ skapar också för många tekniska val. Studien ger information för att bestämma den bästa designen utifrån behov.

"Vi föreslår ett nytt tillvägagångssätt där vi syr ihop biologisk och icke-biologisk elektrokemisk ingenjörskonst för att skapa en ny metod för att lagra energi, " sa Farshid Salimijazi, en doktorand i Barstows labb och tidningens första författare.

Naturlig fotosyntes erbjuder redan ett exempel på att lagra solenergi i stor skala, och förvandla det till biobränslen i en sluten kolkrets. Den fångar upp ungefär sex gånger så mycket solenergi på ett år som alla civilisationer använder under samma tid. Men, fotosyntesen är verkligen ineffektiv när det gäller att skörda solljus, absorberar mindre än en procent av energin som träffar fotosyntetiserande celler.

Elektroaktiva mikrober låter oss ersätta biologisk ljusskörd med solceller. Dessa mikrober kan absorbera elektricitet i sin ämnesomsättning och använda denna energi för att omvandla CO2 till biobränslen. Tillvägagångssättet visar mycket lovande för att göra biobränslen med högre effektivitet.

Elektroaktiva mikrober tillåter också användning av andra typer av förnybar el, inte bara solel, för att driva dessa omvandlingar. Också, vissa arter av konstruerade mikrober kan skapa bioplaster som kan begravas, därigenom avlägsnar koldioxid (en växthusgas) från luften och binder den i marken. Bakterier kan konstrueras för att vända processen, genom att omvandla en bioplast eller biobränsle tillbaka till el. Dessa interaktioner kan alla inträffa vid rumstemperatur och tryck, vilket är viktigt för effektiviteten.

Författarna påpekar att icke-biologiska metoder för att använda elektricitet för kolfixering (assimilering av kol från CO2 till organiska föreningar, biobränslen) börjar matcha och till och med överträffa mikrobers förmågor. Dock, elektrokemisk teknik är inte bra på att skapa de typer av komplexa molekyler som behövs för biobränslen och polymerer. Konstruerade elektroaktiva mikrober skulle kunna designas för att omvandla dessa enkla molekyler till mycket mer komplicerade.

Kombinationer av konstruerade mikrober och elektrokemiska system kan avsevärt överstiga effektiviteten av fotosyntes. Av dessa anledningar, en design som förenar de två systemen erbjuder den mest lovande lösningen för energilagring, enligt författarna.

"Från de beräkningar som vi har gjort, vi tror definitivt att det är möjligt, " sa Salimijazi.

Uppsatsen innehåller prestandadata om biologiska och elektrokemiska konstruktioner för kolfixering. Den aktuella studien är "första gången som någon har samlat på ett ställe all data som du behöver för att göra en jämförelse mellan äpplen och äpplen av effektiviteten hos alla dessa olika sätt att binda kol, " sa Barstow.

I framtiden, forskarna planerar att använda data de har samlat för att testa alla möjliga kombinationer av elektrokemiska och biologiska komponenter, och hitta de bästa kombinationerna av så många val.

Erika Parra, en rektor på MultiPHY Laboratories, Inc., är medförfattare till tidningen.