Группа исследователей из Кембриджского университета в Великобритании в течение полугода в домашних условиях питала ARM Cortex-M0+ от собственного биореактора размером с батарейку (7,5 см в высоту и 3 см в ширину), созданного из цианобактерий и воды. Разработку планируют использовать для питания IoT-устройств в качестве альтернативы аккумуляторам, требующим регулярной подзарядки.
Система разработана из недорогих, пригодных к вторичной переработке материалов. По бокам полимерного корпуса с окошками для попадания света расположены две стальных пластины. Внутри кроме цианобактерий рода Synechocystis и воды находятся алюминиевые нити (анод), сбоку — газопроницаемая мембрана и пористый углеродно-платиновый катод.
Учёные поставили миниатюрный биореактор на окно и подключили к плате с ARM Cortex-M0+. Энергия в «батарейке» вырабатывалась естественным образом посредством фотосинтеза при взаимодействии с солнечным светом. Система также была подключена к микрокомпьютеру Raspberry Pi. Он использовался для записи показателей и в качестве резервного источника энергии на случай, если мощности генератора было бы недостаточно.
В среднем генератор вырабатывал 1,05 микроватт с разницей между ночной и дневной мощностью чуть меньше, чем в два раза. В свою очередь микропроцессор расходовал примерно 0,3 микроватт в ходе имитации реальной работы. Плата работала циклами по 45 минут, вычисляя суммы последовательных чисел, с 15-минутным режимом ожидания, в ходе которого расходовала около 0,24 микроватт. Резервный источник энергии за это время потребовался лишь дважды во время моделируемых исследователями ситуаций.
Учёные ожидали, что устройство не проработает дольше пары недель. Но эксперимент длился 27 недель, после чего авторы разобрали генератор и проанализировали образовавшееся на аноде отложение. Оно представляло собой смесь из гидроксида алюминия и внеклеточного матрикса. Кроме того, за время эксперимента внутри генератора, кроме указанных цианобактерий, появились другие микроорганизмы, в числе которых отмечены электроактивные бактерии родов Halomonas и Pseudomonas.
Авторы предположили две версии схемы выработки энергии. Согласно первой, цианобактерии создают условия для окисления алюминиевого анода, в результате чего в цепи появляется ток. Согласно второй версии, цианобактерии самостоятельно передают в цепь электроны. При этом авторы допустили одновременную работу обоих вариантов.
Как отмечает портал The Verge, ARM Cortex-M0+ в ходе эксперимента выполнял самые простые вычисления. Если обычный настольный компьютер потребляет около 100 Вт энергии в час, потребуется примерно 333 000 000 батареек из водорослей для его работы. При этом авторы не позиционируют устройство как решение для обеспечения компьютера энергией. Разработка изначально создавалась для решений в области IoT.
Материалы исследования опубликованы в статье «Powering a microprocessor by photosynthesis» в журнале Energy & Environmental Science DOI: 10.1039/D2EE00233G. Статья платная, но часть информации из неё опубликовано в материалах N+1 и портала New Scientist.
