När Bacilli-bakterier torkar ut och bildar sporer (visas här), de rynkar, och när de återfuktar, de sväller. Ett team som leddes av den tidigare forskaren Ozgar Sahin från Wyss Institute utnyttjade dessa fuktdrivna förändringar för att driva ett manöverdon och generera elektricitet. Kredit:Xi Chen/Columbia University
(Phys.org) – En ny typ av elektrisk generator använder bakteriesporer för att utnyttja den outnyttjade kraften i avdunstande vatten, enligt forskning utförd vid Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering vid Harvard University. Dess utvecklare förutser elektriska generatorer som drivs av förändringar i luftfuktighet från solvarma dammar och hamnar.
Prototypgeneratorerna fungerar genom att utnyttja rörelsen av ett gummiark belagt på ena sidan med sporer. Lakanet böjs när det torkar ut, ungefär som en kotte öppnar sig när den torkar eller ett nyfallen blad krullar sig, och rätar sedan ut när luftfuktigheten stiger. Sådan böjning fram och tillbaka gör att sporbelagda ark eller små plankor kan fungera som manöverdon som driver rörelse, och den rörelsen kan skördas för att generera elektricitet.
"Om denna teknik utvecklas fullt ut, det har ett mycket lovande slutspel, sa Ozgur Sahin, som ledde studien, först vid Harvards Rowland Institute, senare vid Wyss Institute, och senast vid Columbia University, där han nu är docent i biologiska vetenskaper och fysik. Sahin samarbetade med Wyss Institute Core Faculty-medlem L. Mahadevan, som också är Lola England de Valpine professor i tillämpad matematik, organism- och evolutionsbiologi, och fysik vid School of Engineering and Applied Sciences vid Harvard University, och Adam Driks, professor i mikrobiologi och immunologi vid Loyola University Chicago Stritch School of Medicine. Forskarna rapporterade sitt arbete i går Naturens nanoteknik .
Vattenavdunstning är den största kraftkällan i naturen, sa Sahin. "Solljus träffar havet, värmer upp det, och energi måste lämna havet genom avdunstning, ", förklarade han. "Om du tänker på all is på toppen av Mount Everest – vem tog den här enorma mängden material där uppe? Det finns energi i avdunstning, men det är så subtilt att vi inte ser det."
Men hittills har ingen använt den energin för att generera el.
När Sahin följde idén om en ny fuktdriven generator, han insåg att Mahadevan hade undersökt liknande problem ur ett fysiskt perspektiv. Specifikt, han hade karakteriserat hur fukt deformerar material, inklusive biologiska material som kottar, löv och blommor, samt konstgjorda material som ett ark silkespapper som ligger i en skål med vatten.
Sahin samarbetade med Mahadevan och Driks i en av dessa studier. En jordbakterie som kallas Bacillus subtilis rynkor när den torkar ut som en druva som blir ett russin, bildar en tuff, vilande spor. Resultaten, som de rapporterade 2012 i Journal of the Royal Society Interface , förklarade varför.
Till skillnad från russin, som inte kan omformas till druvor, sporer kan ta på sig vatten och nästan omedelbart återställa sig till sin ursprungliga form. Sahin insåg att eftersom de krymper reversibelt, de måste lagra energi. Faktiskt, sporer skulle vara särskilt bra på att lagra energi eftersom de är stela, ändå expandera och dra ihop en hel del, förutspådde forskarna.
I den här enheten, den fuktdrivna böjningen av ett sportäckt stycke latexgummi (höger) driver rörelsen av en magnet, som producerar el. En enhet byggd på liknande principer skulle kunna fungera som en fuktdriven elektrisk generator. Kredit:Xi Chen/Columbia University
"Eftersom ändrade fuktnivåer deformerar dessa sporer, det följde att enheter som innehåller dessa material borde kunna röra sig som svar på ändrade luftfuktighetsnivåer, ", sade Mahadevan. "Nu har Ozgur visat mycket bra hur detta kan användas praktiskt."
När Sahin först gav sig ut för att mäta energin hos sporer, han blev överraskad.
Han lade en lösning tjock med sporer på en liten, flexibel silikonplanka, förväntar sig att mäta den fuktighetsdrivna kraften i ett skräddarsytt atomkraftmikroskop. Men innan han hann sätta in plankan, han såg den krökta och räta ut sig med blotta ögat. Hans inandning och utandning hade förändrat fuktigheten subtilt, och sporerna hade svarat.
"Jag insåg då att det här var extremt kraftfullt, sa Sahin.
Faktiskt, helt enkelt öka luftfuktigheten från en torr, solig dag till en fuktig, dimmig en möjliggjorde det flexibla, sporbelagd planka för att generera 1000 gånger så mycket kraft som mänsklig muskel, och minst 10 gånger så mycket som andra materialingenjörer för närvarande använder för att bygga ställdon, Sahin upptäckte. Faktiskt, Att fukta ett halvt kilo torra sporer skulle generera tillräckligt med kraft för att lyfta en bil en meter från marken.
För att bygga ett sådant ställdon, Sahin testade hur väl sporbelagda material som kisel, sudd, plast, och tejp lagrad energi, bestämmer sig för gummi som det mest lovande materialet.
Sedan byggde han en enkel fuktdriven generator av LegosTM, en miniatyrfläkt, en magnet och en sporbelagd fribärare. När konsolen fälls fram och tillbaka som svar på fukt, den driver en roterande magnet som producerar elektricitet.
Sahins prototyp fångar bara en liten andel av energin som frigörs genom avdunstning, men det skulle kunna förbättras genom att genetiskt modifiera sporerna så att de blir styvare och mer elastiska. Verkligen, i tidiga experiment, sporer av en mutantstam tillhandahållen av Driks lagrade dubbelt så mycket energi som normala stammar.
"Sol- och vindenergin fluktuerar dramatiskt när solen inte skiner eller vinden inte blåser, och vi har inget bra sätt att lagra tillräckligt av det för att försörja nätet under lång tid, " sa Wyss Institutes grundare Don Ingber, M.D., Ph.D. "Om förändringar i luftfuktighet kunde utnyttjas för att generera elektricitet natt och dag med en uppskalad version av denna nya generator, det skulle kunna förse världen med en desperat nödvändig ny källa till förnybar energi."
För mer om potentialen hos detta sporinnehållande manöverdon och generator, se denna korta animation:
