Инженеры нашли способ превращать углекислый газ в топливо с помощью бактерий-электриков в промышленных масштабах

Международная группа учёных совершила значительный прорыв в области микробного электросинтеза, создав биореактор, который в десять раз больше своих предшественников и обладает рекордной эффективностью. Руководителем проекта выступил профессор Брюс Логан из Пенсильванского государственного университета, известный как ведущий специалист в области микробных топливных элементов и биоэлектрохимических систем. Новый биореактор решает проблему хранения возобновляемой энергии, используя микроорганизмы для преобразования избыточного электричества, полученного от солнечных и ветряных электростанций, и углекислого газа в метан, основной компонент природного газа. Учёным удалось увеличить площадь электродов в десять раз по сравнению с лабораторными образцами, сохранив при этом высокую производительность.

Ключевой особенностью новой системы является конфигурация с «нулевым зазором», где электроды прижаты вплотную к ионообменной мембране, что значительно снижает потери энергии. Это позволило достичь энергетической эффективности в 45,2% при стандартной температуре 30 °C, что является одним из лучших показателей для систем, работающих без внешнего подогрева. До настоящего времени большинство систем микробного электросинтеза функционировали только в небольших лабораторных сосудах. Попытки масштабирования таких систем до промышленных размеров часто приводили к значительным потерям из-за увеличения внутреннего сопротивления и неравномерной работы бактерий.

Процесс преобразования газа в топливо осуществляется археями рода Метанобактериум, которые служат живыми катализаторами. Они поглощают водород, вырабатываемый на катоде, и используют его для получения электронов, необходимых для восстановления CO2 до метана. Исследователи доказали, что даже при увеличении длины потока внутри реактора до 30 сантиметров, бактерии остаются эффективными на всём протяжении. Система может быть масштабирована для использования на реальных заводах, сохраняя высокую скорость производства и минимальные энергопотери.

Для проектирования системы применялось сложное математическое моделирование, основанное на уравнениях Бринкмана и Навье-Стокса, что позволило избежать застойных зон в потоке жидкости. Визуализация показала, что водород распределяется равномерно по всей панели, обеспечивая стабильную работу биоплёнки. Генетический анализ подтвердил стабильность микробного сообщества на всех участках электрода, с долей метанообразующих архей около 60% в нижней части и более 50% в верхней. Это свидетельствует о создании идеальных условий для бактерий даже при значительном увеличении объёма системы.

Скорость производства метана в новом реакторе достигла 6,9 литра на литр объёма в сутки при плотности тока 17,5 ампер на квадратный метр. Кулоновская эффективность системы превысила 95%, что указывает на почти полное отсутствие побочных продуктов. Устройство работает при напряжении от 2,3 В до 2,8 В, что делает его совместимым со стандартными промышленными электролизёрами. Исследование, финансируемое Центром исследования CO2 фонда «Ново Нордиск», демонстрирует готовность микробного электросинтеза к выходу за пределы лабораторий и созданию жизнеспособных инженерных моделей для заводов по утилизации углерода.

Это открытие прокладывает путь к созданию масштабных систем хранения энергии в виде газа, который можно легко закачивать в существующие газохранилища и использовать в отоплении или промышленности, снижая концентрацию парниковых газов в атмосфере. Разработчики планируют дальнейшее увеличение систем для достижения стадии коммерческого внедрения. В другой области инженеры представили проект автономных подводных батарей, работающих в рамках программы DARPA BLUE, использующих микробные топливные элементы для питания глубоководных сенсоров.

Источник