剑桥大学用蓝藻发电 还供计算机运行了一年

2022年05月19日 14:11 次阅读 稿源:雷锋网 条评论

“绿色计算”走进现实,剑桥大学通过藻类的光合作用为一台计算机提供电力。我们知道,物联网设备需要可持续的、可负担的、分散的电能来提供动力来源。虽然单一物联网设备的功耗很温和,范围只是从微瓦到毫瓦,但如今物联网设备的数量已经达到数十亿,预计到2035年增加到一万亿,这就需要大量的便携式能源,比如一块电池或者一个能量收割机。

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但是电池主要依赖于昂贵和不可持续的材料(如稀土元素),而且电量最终会耗尽。

而现有的能源收割机(例如太阳能、温度、振动)虽然持续时间较长,但对环境不友好,比如光伏生产中会使用到有害材料。

那么,有没有一种既便携,又便宜耐用,而且还能保护环境的能源收集系统呢?

剑桥大学的一个研究团队告诉你:当然有!

就是下面这个装有蓝藻的容器,它已经为一台计算机供电长达一年!


这个装置高6厘米,长3.1厘米,宽2.3厘米,可以说是非常小了。(道理我都懂,为什么这张图看起来那么大...)

而且,它所需的材料简单廉价可回收:塑料、铝、蓝藻、水。

有了这个,还要电池干嘛??

1
日夜不休,超强续航六个月以上

这个能源收割机是一种生物光伏能源收集系统,它出自剑桥大学生物化学系的Chris Howe教授和他的同事之手。这项研究的题目为"Powering a microprocessor by photosynthesis",论文已发表在Energy&Environmental Science期刊上。


论文地址:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/EE/D2EE00233G

研究人员用铝和透明塑料造了一个AA电池大小的金属外壳,里面放置了一种名为PCC 6803的蓝藻菌群,也就是俗称的“蓝藻”。当蓝藻暴露在阳光下时,它就可以通过光合作用产生氧气。


图注:蓝藻菌群(图源ScienceDirect)

在2021年疫情封锁期间,这个装置就待在团队成员Paolo Bombelli家中的窗台上,通过藻类进行光合作用产生微小的电流,为微处理器ARM Cortex-M0+连续供电。


图注:Arm Cortex-M0+ 微处理器

ARM Cotex-M0+芯片来自芯片制造商Arm,他们与剑桥大学的研究团队合作,为其提供了测试设备和用于数据收集的云接口。这款芯片并非专门为研究而生,而是物联网设备常用的微处理器,树莓派Pico的CPU就是它。


图注:给ARM芯片供电的蓝藻发电装置

研究人员原本以为,这个系统可能会在几周后就停止工作,没想到它日夜不休地工作了6个月,而且在实验结束后,蓝藻还在继续发电,一直运行到现在。

那么这个装置是怎么产生能源的呢?

2
神奇的“炼金术士”

理论上有两种可能的来源:要么是蓝藻自身产生电子,从而产生电流;要么是它们创造了条件,使容器中的铝阳极在化学反应中被腐蚀,从而产生电子和电流。而在这项实验中,并没有对阳极进行任何明显的降解,所以研究人员认为,蓝藻产生了大部分电流。

近年来,海藻已经成为生物燃料的新宠儿,藻类可以生成氢、净化废水、去除大气中的二氧化碳等等,俨然成为了不起的“炼金术士”,有着发展清洁技术的强大潜力。

而该实验所用的PCC 6803是一种单细胞淡水蓝细菌的菌株,属于集胞藻(Synechocystis sp),它像其他植物一样可以通过光合作用从太阳光中获得能量,产生微弱的电流。

所以只要在水槽中放入电极,就可以将产生的电流作为电池来使用。而物联网设备的处理器只需要非常微弱的功率就可以驱动,所以使用藻类来为物联网设备供电是很合适的。

在实验期间,这台由藻类驱动的微型计算机执行了一些基本运算,以45分钟为周期,计算连续整数的总和来模拟计算工作量,仅耗费0.3微瓦的电力,待机15分钟则需要0.24微瓦的电力。计算机自己测量设备输出的电流,这些数据存储在云端,供研究人员分析。

图注:研究团队成员 Christopher Howe(左)和 Paolo Bombelli(右),图片来自剑桥大学

虽然这个装置产生的电流比较微弱,但已经足够为一些小型电子设备充电了。不过要想为一台普通的台式计算机供电还是远远不够的,一台计算机的实际耗能情况会因工作量和使用年限等因素而不同,如果一台计算机每小时消耗 100 瓦的功率,那么运行这台电脑大约需要333,000,000 块藻类“电池”。所以,将来还需要进一步扩大规模,来为需要耗费更多电力的设备供电。

目前藻类“电池”规模是小了点,但Christopher Howe对这个装置的续航能力尤为自豪,“这个光合作用装置不会像电池那样很快耗尽。”与传统的电池或太阳能相比,水藻对环境依赖性小,不断地使用光作为能量来源提供持续电力。

这种藻类并不需要喂养,它们可以在光合作用时“生产”自己的食物,从自然阳光中收集能量。而且,在夜间没有光的情况下,这个设备可以通过“吃”白天储存的电继续供能。藻类分为自养型和异养型,最为常见易得的就是光能自养型。也就是说有“光”啥都好说。

3
藻类,远远不止是池塘里的浮渣

该装置目前只在概念验证阶段,下一步,研究者很有可能将藻类供电芯片应用于的物联网设备。物联网有很大的电能缺口,它需要像藻类生物发电这样的持续供能系统,而不是一块只会简单储存能量的电池。

近年来,碳达峰、碳中和风很大,固碳减排是实现全球碳中和的关键一环。像用藻类植物光合作用赋能某台机器设备,就属于“绿色计算”范畴。

“绿色计算”拆开理解,绿色简单来说就是低碳和无害,即环境友好、资源节约,可高效循环利用。计算可理解为包含软硬件结合的终端设备、服务器和相关系统等。

海藻是一种常见的海洋生物,在三十五亿年前就已经出现了,四舍五入也算是世界上释放氧气最多的生物TopX。藻类能源的利用方式属于“生物光伏”(biophotovoltaics, BPV),是一条生物学路径利用太阳能的方式,听起来好像产业大地即将有一股清新风吹过似的。人类通过光合作用利用微生物产生的能量为设备为产业续航,想来,岂不是白白浪费了数十亿年微生物光合作用产生的能量?开垦的锄头要挥的更勤些才是。


图注:池塘浮藻

当然,孔雀开屏还暴露屁股呢,这个项目也不是没有缺点,比如,除藻类“电池”生产规模小之外,藻类能量效率极低——同样场景下,太阳能电池板吸收20%的阳光,植物才吸收到0.25%。这个项目显然还需要配以解决方案。

一个好消息是,研究人员已经发现了能产生更高电流的藻类,再加上成本极低,所以未来5年内很有可能实现大规模的商业应用。

可以想象,在不久的将来,广袤海域上覆盖着一片片巨大荷叶形状的藻类,它们的身份是海上风力发电场的移动发电站。

参考链接:

https://www.theverge.com/2022/5/16/23074715/algae-computer-chip-photosynthesis-arm-cortext-iot-biophotovoltaics

https://www.newscientist.com/article/2319584-computer-powered-by-colony-of-blue-green-algae-has-run-for-six-months/

https://kknews.cc/science/e85z3py.html

作者 | 李梅 、刘冰一

编辑 | 陈彩娴

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