Voorstelling van een elektrode en nanodraden die elektriciteit produceren uit het vocht in de lucht.
UMass Amherst/Yao and Lovley labs

Nieuwe groene technologie op basis van bacteriën produceert elektriciteit uit niets dan lucht

Wetenschappers aan de University of Massachusetts Amherst hebben een toestel ontwikkeld dat een natuurlijk eiwit gebruikt om elektriciteit te produceren uit het vocht in de lucht. Volgens de onderzoekers kan de nieuwe technologie belangrijke implicaties hebben voor de toekomst van de hernieuwbare energie, de klimaatverandering en de toekomst van de geneeskunde. 

De laboratoria van elektrisch ingenieur Jun Yao en microbioloog Derek Lovley aan UMass Amherst hebben een toestel ontworpen dat ze een 'Air-gen' (air-powered generator, door lucht aangedreven generator) noemen.  Dat werkt met nanodraadjes die elektrische stroom geleiden en die bestaan uit eiwit dat geproduceerd wordt door de bacterie Geobacter. De Air-gen verbindt elektrodes met de eiwit-nanodraden op zo'n manier dat er elektrische stroom opgewekt wordt uit de waterdamp die aanwezig is in de atmosfeer. 

"We maken letterlijk elektriciteit uit niets anders dan lucht", zei Yao. "De Air-genereert propere energie 24 uur per dag, zeven dagen in de week."

Lovley, die al meer dan drie decennia lang werkt aan het bevorderen en verbeteren van duurzame, op biologie gebaseerde elektronische materialen, noemde het "de meest verbazende en opwindende toepassing van eiwit-nanodraden tot nu toe".

De nieuwe technologie die ontwikkeld is in het labo van Yao, vervuilt niet, is hernieuwbaar en goedkoop, en ze kan zelfs in gebieden met een extreem lage luchtvochtigheid zoals de Sahara-woestijn stroom opwekken. 

Ze biedt aanzienlijke voordelen tegenover andere vormen van hernieuwbare energie, waaronder ook zonne-energie en windenergie, zei Lovley, aangezien de Air-gen, in tegenstelling met deze andere hernieuwbare energiebronnen, geen zonlicht of wind nodig heeft, en "zelfs binnenhuis werkt". 

Het Air-gen-toestel heeft slechts een dunne film van eiwit-nanodraden nodig , minder dan 10 micron dik, zeggen de onderzoekers. Een micron is een duizendste van een millimeter. De onderkant van de film rust op een elektrode en een kleinere elektrode die slechts een deel van de nanodraden bedekt, zit aan de bovenkant. 

De film absorbeert waterdamp uit de atmosfeer. Een combinatie van de elektrische geleiding en de chemische eigenschappen van het oppervlak van de eiwitdraden, gekoppeld aan de fijne poriën tussen de nanodraden in de film, creëren de omstandigheden die een elektrische stroom opwekken tussen de twee elektroden.  

Voorstelling van Geobacter-bacteriën met elektrisch geleidende nanodraden.
UMass Amherst

Grootschalige systemen

De onderzoekers zeggen dat de huidige generatie van Air-gen toestellen in staat is om kleine elektronica van stroom te voorzien, en ze verwachten dat ze de uitvinding weldra op een commerciële schaal zullen kunnen tillen.  

De volgende stappen die ze van plan zijn, zijn ondermeer het ontwikkelen van een kleine Air-gen 'patch' die stroom kan leveren voor elektronische 'wearables', draagbare apparaatjes zoals gezondheids- en fitnessmonitoren en smartwatches, wat zou maken dat die toestellen geen traditionele batterijen meer nodig hebben. Ze hopen ook Air-gens te ontwikkelen om toe te passen op mobiele telefoons zodat die niet meer opgeladen moeten worden. 

"Het uiteindelijke doel is grootschalige systemen te maken. De technologie zou bijvoorbeeld geïntegreerd kunnen worden in muurverf die kan helpen om je huis van stroom te voorzien. Of we zouden op zichzelf staande, door de lucht aangedreven generatoren kunnen ontwikkelen die elektriciteit leveren los van het netwerk", zei Yao. "Zodra we op industriële schaal de nanodraden kunnen produceren, verwacht ik ten stelligste dat we grote systemen kunnen maken die een belangrijke bijdrage zullen leveren aan de productie van duurzame energie."

Het labo van Lovley heeft de praktische biologische vermogens van Geobacter nog verbeterd en onlangs een nieuwe stam van microben ontwikkeld om sneller en goedkoop de eiwit-nanodraden op grote schaal te produceren. "We hebben E. coli in een fabriek van eiwit-nanodraden omgevormd", zei Lovley. "Met dit nieuwe, aanpasbare proces zal de voorraad aan eiwit-nanodraden niet langer een flessenhals vormen bij de ontwikkeling van deze toepassingen." 

Eerder had het team van Lovley de genen voor het eiwit dat de geleidende nanodraden vormt, al van Geobacter metallireducens ingeplant bij een andere Genobacter-soort, Geobacter sulfurreducens om die het eiwit aan te laten maken, en nu heeft men hetzelfde gedaan bij de veel in de darmen voorkomende bacterie Escherichia coli.

Het Air-gen toestel dat nu in gebruik is, kan kleine elektronische apparaten van stroom voorzien.

Bij toeval ontdekt

De ontdekking van het feit dat de nanodraden elektriciteit kunnen produceren, is overigens bij toeval gebeurd. Doctoraatsstudent Xiaomeng Liu was in het labo van Yao bezig met het ontwikkelen van sensoren toen hij iets onverwachts opmerkte. 

"Ik zag dat als de nanodraden op een bepaalde manier in contact werden gebracht met elektroden, de toestellen een stroom produceerden. Ik ontdekte dat blootstelling aan luchtvochtigheid essentieel was en dat de eiwit-nanodraden water absorbeerden en zo stroom produceerden in het toestel", zei Liu. 

De onderzoekers zeggen dat de ontdekking de weerspiegeling is van een ongewone interdisciplinaire samenwerking. Lovley ontdekte meer dan 30 jaar geleden Geobacter metallireducens in de modder van de Potomac-rivier, en zijn labo ontdekte later het vermogen van de bacterie om eiwit-nanodraden te produceren die elektriciteit geleiden. 

Yao van zijn kant had voor hij naar UMass Amherst kwam, jaren aan de Harvard University gewerkt, waar hij elektronische toestellen ontwierp met nanodraden uit silicium. De twee mannen bundelden vervolgens hun krachten om na te gaan of er nuttige elektronische toestellen gemaakt konden worden met de eiwit-nanodraden van Geobacter. 

Dat bleek het geval te zijn, en naast de Air-gen heeft het labo van Yao al verschillende andere toepassingen ontwikkeld met de eiwit-nanodraden. "Dit is nog maar het begin van een nieuw tijdperk van op eiwitten gebaseerde elektronische toestellen", zo zei Yao.  

De studie over de ontdekking van het team van UMass Amherst is gisteren gepubliceerd in Nature. Dit artikel is gebaseerd op een persmededeling van de University of Massachusetts Amherst.

Meest gelezen