Forskere har tatt tråder som lages av en spesiell bakterie og satt dem i kontakt med to elektroder av gull. Da begynte nanokablene fra bakteriene å produsere strøm.
Forskere har tatt tråder som lages av en spesiell bakterie og satt dem i kontakt med to elektroder av gull. Da begynte nanokablene fra bakteriene å produsere strøm.

Tråder fra en merkelig bakterie laget strøm fra løse lufta

En doktorgradsstudent oppdaget noe rart på laben. Instrumentet han hadde bygget med materiale fra en spesiell bakterie stod og genererte strøm av seg selv.

Publisert

For over 30 år siden oppdaget mikrobiolog Derek Lovley en bakterie som lå begravet i slam og sedimenter på havbunnen. Den ble kalt Geobacter.

Uten oksygen kan den leve av å gi elektroner til metaller og til og med radioaktive metaller og petroleum.

Bakterietypen har hårlignende utvekster fra celleveggen som kalles for pili og er laget av proteiner. Dette deler den med mange andre bakterier. De brukes til å sanse miljøet, feste seg til hverandre og til overflater.

Men i 2005 kom Derek Lovley og kolleger ut med en studie i Nature som vakte oppsikt i fagmiljøet.

De la frem beviser for at Geobacter sine hårlignende utvekster kan lede strøm på samme måte som et metall.

Det forteller Martin Hohmann-Marriott, førsteamanuensis ved Institutt for bioteknologi og matvitenskap, NTNU.

- Det var spennende, nytt og veldig kontroversielt, sier han til forskning.no.

- Det er fordi proteiner som regel ikke leder strøm. Hvis du steker et egg i panna så er ikke det egget strømledende. Proteiner pleier å være ganske gode isolatorer. Så det at proteiner leder elektrisitet er fremdeles kontroversielt, både om de gjør det og hvordan.

Lovely kalte bakteriens tråder for nanowires eller nanotråder.

Og disse trådene skulle vise seg å ha enda en spesiell egenskap.

Som science fiction

Derek Lovley og andre forskere ved University of Massachusetts Amherst har nå oppdaget at bakteriens nanotråder i kontakt med to elektroder kan produsere elektrisitet ut av fuktighet i lufta.

Enda er det bare lite grann elektrisitet som produseres, for instrumentet de brukte er bare 25 kvadratmillimeter. Men oppdagelsen kan åpne for spennende muligheter.

- Vi har utviklet en ny type bærekraftig strømproduksjon. Vi trenger ikke sollys, vi trenger ikke vind. Vi kan lage strøm 24/7 fra luftfuktighet, sier Lovley i et intervju med The Naked Scientists.

Det høres ut som science fiction, og det var Lovleys første tanke også.

- Vi brukte mange måneder på å prøve å diskreditere ideen, men det hele viste seg å stemme. Bemerkelsesverdig nok kan vi lage strøm bokstavelig talt fra løse lufta.

De kaller instrumentet for Air-gen, etter ordene luft og generator.

Oppdaget ved en tilfeldighet

Forskernes egentlige plan var å utvikle en liten sensor basert på nanotråder fra Geobacter.

De høstet trådene fra den spesielle bakterien. De er bitte små, rundt 10 nanometer brede. Til sammenligning er et hårstrå mellom 80 000 og 100 000 nanometer bredt, ifølge Nano.gov.

Det kan virke rart at forskere klarer å jobbe med noe som er så lite. Men det er en ganske enkel prosess ifølge Lovley.

De skilte trådene fra bakteriene i en slags blender. Så samlet de trådene og tørket dem ut slik at de ble liggende hulter til bulter på en flate. Under hadde de en elektrode av gull og en annen gullelektrode var plassert på toppen.

Det var doktorgradsstudenten Xiaomeng Liu som oppdaget at det foregikk noe merkelig med instrumentet de hadde laget.

- Jeg så at når nanotrådene kom i kontakt med elektrodene på en spesiell måte, så genererte instrumentet strøm, sier han i en pressemelding fra Universitet.

Det kom som en fullstendig overraskelse på forskerne.

Forskerne oppdaget at når elektrodene var plassert på en spesiell måte, så genererte platen bittelitt strøm av seg selv.
Forskerne oppdaget at når elektrodene var plassert på en spesiell måte, så genererte platen bittelitt strøm av seg selv.

Ikke klart hva som skjer

Martin Hohmann-Marriott forstår godt forskernes overraskelse.

- Hvis du hadde spurt noen: nå tar jeg noen proteiner og legger det der, tror du det vil generere elektrisitet?

- Alle ville blåst og sagt «så klart ikke!».

- Men det gjør det altså, og det er veldig spennende.

Det nye funnet er helt klart et gjennombrudd, sier NTNU-forskeren som selv forsker på bakterielle nanotråder. Han ser for seg hvordan de som har fagfellevurdert artikkelen må ha ristet på hodet i starten og bedt om flere bevis.

Forskerne presenterer en hypotese for hva de tror det er som skjer.

- Det som skjer er at filmen av nanotråder absorberer fuktighet fra luften og lager en gradient, ikke bare av fuktighet i filmen, men også en elektrisk ladning, sier Derek Lovley til Vice.

Elektroingeniør Jun Yao, en av de andre forfatterne bak studien, forklarer til forskning.no at vi kan sammenligne det med det som skjer når det lyner.

- Motsatte ladninger bygger seg opp mellom det øverste og det nederste grensesnittet i skyen. Skyen er laget av vannmolekyler og det betyr at vannmolekyler bærer ladning. Ved visse terskler utlades det, og det blir lyn.

- Se for deg at instrumentet er en kjempeliten «sky», skriver Jun Yao på epost.

Forskerne beskriver hypotesen sin i detalj i artikkelen. Men mekanismene er fremdeles uklare, sier Hohmann-Marriott.

- De forsøker å forklare hva de tror skjer, men jeg tror ingen egentlig helt kjøper det på dette stadiet. Det er en interessant hypotese, men den er ikke solid, sier han.

- Nå har folk fått et modellsystem for å prøve å finne ut av det. For vi forstår egentlig ikke hva som skjer enda.

Ladet seg selv opp

At det er fuktigheten som skaper strømmen ble forskerne i alle fall sikre på. De utelukket andre mulige kilder.

De viste seg at nanotrådene ikke kunne dra elektroner ut fra gullplatene, fordi det også fungerte med plater av karbon, som ikke er en kilde til ledige elektroner, skriver tidsskriftet Science. Instrumentet fungerte også i mørket. Så det hadde ikke noe med lys å gjøre.

Men når forskerne satte Air-gen- instrumentet i et rom med mindre fuktighet, så ble strømmen litt svakere. De gjorde flere forsøk, og det ble klart at strømmen hadde en klar sammenheng med fuktighet i lufta. Det fungerte best ved 45 prosent luftfuktighet, men også i et miljø som er så tørt som Sahara-ørkenen.

Instrumentet opprettholdt 0,5 volt i 20 timer i strekk. Så skjedde det noe annet rart. Det stoppet, så ladet det seg selv opp, før det startet på’n igjen.

- Vet de hvorfor det skjer?

- Nei, det er forbausende, sier Hohmann-Marriott.

- Hvis du har en bit tørkepapir og væter det i vann, så regenererer det ikke når du lar det ligge, om du ikke legger det i sola eller noe slikt. Så det er bemerkelsesverdig at materialet på en eller annen måte kommer seg igjen, sier han.

Etter flere måneder virket instrumentet fortsatt på samme måte.

Tenker smått og stort

Forskernes neste mål er å lage små lapper av generatoren som kan drive smartklokker og helsemonitorer. De håper også at teknologien kan brukes til å drive mobiltelefoner, slik at de ikke lenger trenger å lades.

Det er for tidlig å slå fast om det hele kan skaleres opp. Men de tenker også større.

- Det ultimate målet er å lage storskala systemer, sier elektroingeniør Jun Yao.

- Så snart vi kan produsere nanotråder på industriell skala, så forventer jeg fullt ut at vi kan lage store systemer som kan gi vesentlige bidrag til produksjonen av bærekraftig energi.

1000 watt per kubikkmeter

Den lille luftdrevene generatoren lager nå noen mikroampere med strøm per kvadratcentimeter, som er nesten ingenting.

Forskerne ser for seg at det er mulig å koble sammen flere instrumenter slik at de kan produsere mer strøm. De koblet sammen 17 av dem og oppnådde høyere spenning.

I studien skriver de at ved å stable instrumentene loddrett ved siden av hverandre med små mellomrom så kan det gi omtrent 1000 watt per kubikkmeter. Det er nok til å gi strøm til ti bærbare PC-er. Altså en betydelig mengde, men ikke kjempemasse.

Fordelen er at de luftdrevne generatorene eventuelt ville kunne fungere innendørs, i mørket og i all slags vær.

Et problem med å skalere opp er at Geobacter er vanskelig å dyrke. Men Lovley har løsningen på det også. På laben hans har de nylig genetisk manipulert E. coli bakterier til å produsere nanotrådene. Slik kan de masseprodusere materialet raskt og billig. Studien er forhåndspublisert på BioRxiv.

Martin Hohmann-Marriott synes den nye forskningen er spennende på flere måter.

- Der er spennende fra et materialforsknings perspektiv at proteiner kan gjøre alt dette. Og også i et energiperspektiv. Du kan generere energi på et nivå som faktisk er temmelig bra.

Referanse:

Xiaomeng Liu, Hongyan Gao, Joy E. Ward, Xiaorong Liu, Bing Yin, Tianda Fu, Jianhan Chen, Derek R. Lovley & Jun Yao: «Power generation from ambient humidity using protein nanowires», Nature, 17. februar 2020. Sammendrag.