นักวิจัยได้สร้าง ‘ตึกระฟ้า’ ขนาดเล็กสำหรับชุมชนแบคทีเรีย ซึ่งช่วยให้พวกเขาผลิตกระแสไฟฟ้าจากแสงแดดและน้ำเท่านั้น
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ใช้การพิมพ์ 3 มิติเพื่อสร้างกริดของ ‘ที่อยู่อาศัยนาโน’ ในตึกสูง ซึ่งแบคทีเรียที่รักแสงแดดสามารถเติบโตได้อย่างรวดเร็ว จากนั้นนักวิจัยก็สามารถดึงอิเล็กตรอนเสียของแบคทีเรียที่หลงเหลือจากการสังเคราะห์ด้วยแสง ซึ่งสามารถนำไปใช้จ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กได้
ทีมวิจัยอื่น ๆ ได้ดึงพลังงานจากแบคทีเรียสังเคราะห์แสง แต่นักวิจัยของเคมบริดจ์พบว่าการจัดหาบ้านที่เหมาะสมให้กับพวกเขาจะเพิ่มปริมาณพลังงานที่พวกเขาสามารถดึงออกมาได้มากกว่าลำดับความสำคัญ แนวทางนี้สามารถแข่งขันกับวิธีการผลิตพลังงานทดแทนแบบเดิมได้ และได้บรรลุถึงประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์แล้ว ซึ่งสามารถเอาชนะวิธีการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพในปัจจุบันได้หลายวิธี
ผลลัพธ์ของพวกเขาซึ่งรายงานในวารสารNature Materialsได้เปิดช่องทางใหม่ในการผลิตพลังงานชีวภาพ และแนะนำว่าแหล่งพลังงาน ‘biohybrid’ ของพลังงานแสงอาทิตย์อาจเป็นองค์ประกอบสำคัญในการผสมพลังงานศูนย์คาร์บอน
เทคโนโลยีหมุนเวียนในปัจจุบัน เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ซิลิกอนและเชื้อเพลิงชีวภาพ นั้นเหนือกว่าเชื้อเพลิงฟอสซิลในแง่ของการปล่อยคาร์บอน แต่ก็มีข้อจำกัดเช่นกัน เช่น การพึ่งพาการขุด ความท้าทายในการรีไซเคิล และการพึ่งพาเกษตรกรรมและที่ดิน การใช้ซึ่งส่งผลให้สูญเสียความหลากหลายทางชีวภาพ
ดร.เจนนี่ จางจาก Yusuf Hamied Department of Chemistry ซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยกล่าวว่า “แนวทางของเราเป็นก้าวไปสู่การสร้างอุปกรณ์พลังงานหมุนเวียนที่ยั่งยืนยิ่งขึ้นไปอีกในอนาคต”
Zhang และเพื่อนร่วมงานของเธอจาก Department of Biochemistry และ Department of Materials Science and Metallurgy กำลังทำงานเพื่อคิดใหม่พลังงานชีวภาพเป็นสิ่งที่ยั่งยืนและปรับขนาดได้
แบคทีเรียสังเคราะห์แสงหรือไซยาโนแบคทีเรียเป็นสิ่งมีชีวิตที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดในโลก เป็นเวลาหลายปีที่นักวิจัยพยายาม ‘เดินสายไฟใหม่’ กลไกการสังเคราะห์แสงของไซยาโนแบคทีเรียเพื่อดึงพลังงานออกจากพวกมัน
“มีปัญหาคอขวดในแง่ของปริมาณพลังงานที่คุณสามารถดึงออกมาจากระบบสังเคราะห์แสงได้จริง แต่ไม่มีใครเข้าใจว่าคอขวดอยู่ที่ไหน” จางกล่าว “นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่สันนิษฐานว่าคอขวดอยู่ที่ด้านชีวภาพ ในแบคทีเรีย แต่เราพบว่าคอขวดจำนวนมากอยู่ที่ด้านวัสดุ”
ในการที่จะเติบโต ไซยาโนแบคทีเรียต้องการแสงแดดมาก เช่น พื้นผิวของทะเลสาบในฤดูร้อน และเพื่อที่จะดึงพลังงานที่ผลิตได้ผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง แบคทีเรียจะต้องติดอยู่กับอิเล็กโทรด
อิเล็กโทรดแบบกำหนดเองที่พิมพ์ 3 มิติของทีมงานเคมบริดจ์จากอนุภาคนาโนของโลหะออกไซด์ที่ได้รับการปรับแต่งให้ทำงานร่วมกับไซยาโนแบคทีเรียในขณะที่ทำการสังเคราะห์ด้วยแสง อิเล็กโทรดถูกพิมพ์ออกมาเป็นโครงสร้างเสาที่แตกกิ่งก้านสูงและหนาแน่นเหมือนเมืองเล็กๆ
ทีมงานของ Zhang ได้พัฒนาเทคนิคการพิมพ์ที่ช่วยให้สามารถควบคุมมาตราส่วนความยาวได้หลายแบบ ทำให้โครงสร้างสามารถปรับแต่งได้สูง ซึ่งอาจเป็นประโยชน์ต่อขอบเขตที่หลากหลาย
“อิเล็กโทรดมีคุณสมบัติในการรับแสงได้ดีเยี่ยม เช่น อพาร์ตเมนต์สูงที่มีหน้าต่างจำนวนมาก” จางกล่าว “ไซยาโนแบคทีเรียต้องการบางสิ่งบางอย่างที่พวกเขาสามารถผูกมัดและสร้างชุมชนกับเพื่อนบ้านได้ อิเล็กโทรดของเราทำให้เกิดความสมดุลระหว่างพื้นที่ผิวจำนวนมากและแสงจำนวนมาก – เหมือนกับตึกระฟ้าที่เป็นกระจก”
เมื่อไซยาโนแบคทีเรียที่ประกอบตัวเองอยู่ในบ้าน ‘มีสาย’ แห่งใหม่ นักวิจัยพบว่าพวกมันมีประสิทธิภาพมากกว่าเทคโนโลยีพลังงานชีวภาพอื่น ๆ ในปัจจุบัน เช่น เชื้อเพลิงชีวภาพ เทคนิคนี้เพิ่มปริมาณพลังงานที่สกัดได้มากกว่าวิธีอื่นๆ ในการผลิตพลังงานชีวภาพจากการสังเคราะห์ด้วยแสง
“ฉันรู้สึกประหลาดใจที่เราสามารถบรรลุตัวเลขที่เราทำได้ – มีการทำนายตัวเลขที่คล้ายกันมาหลายปีแล้ว แต่นี่เป็นครั้งแรกที่มีการแสดงตัวเลขเหล่านี้ในการทดลอง” นายจางกล่าว “ไซยาโนแบคทีเรียเป็นโรงงานเคมีอเนกประสงค์ วิธีการของเราช่วยให้เราสามารถใช้ประโยชน์จากเส้นทางการแปลงพลังงานได้ตั้งแต่เริ่มต้น ซึ่งช่วยให้เราเข้าใจว่าพวกมันดำเนินการแปลงพลังงานอย่างไร เพื่อให้เราสามารถใช้เส้นทางธรรมชาติสำหรับเชื้อเพลิงหมุนเวียนหรือการผลิตสารเคมี”
การวิจัยได้รับการสนับสนุนบางส่วนโดยสภาวิจัยเทคโนโลยีชีวภาพและวิทยาศาสตร์ชีวภาพ, Cambridge Trust, Isaac Newton Trust และ European Research Council Jenny Zhang เป็น BBSRC David Phillips Fellow ในภาควิชาเคมีและ Fellow of Corpus Christi College เมืองเคมบริดจ์
อ้างอิง:
Xiaolong Chen et al. ‘ อิเล็กโทรดอาร์เรย์เสาหลักแบบลำดับชั้นที่พิมพ์ 3 มิติสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงกึ่งประดิษฐ์ที่มีประสิทธิภาพสูง ‘ วัสดุธรรมชาติ (2022). ดอย: 10.1038/s41563-022-01205-5
