Бактерии + 3D-печать = бессмертная батарея, которая ломает все правила физики и химии

Иногда крупный научный прорыв совершается не где-то далеко, а буквально за углом. Именно так произошло в Университете Бингемтона, где профессор Сокхён «Шон» Чхве, более десяти лет исследующий энергетические системы на основе бактерий, сделал важный шаг вперёд благодаря сотрудничеству с коллегой-механиком, работающим в том же здании.

Объединив усилия с доцентом Дэхао Лю из кафедры машиностроения, команда Чхве разработала одну из самых мощных бактериальных батарей , созданных ими за всё время. Новая система не содержит литий и не использует токсичных компонентов: её основой стали нержавеющая сталь и устойчивые к агрессивной среде эндоспоры. Разработка уже успешно продемонстрировала свою пригодность для питания маломощных электронных устройств.

Одним из главных ограничений при создании подобных источников питания долго оставался выбор конструкционных материалов. Коммерческая металлическая сетка обладала хорошей электропроводностью и прочностью, но не позволяла управлять поверхностной морфологией — а именно от микрорельефа зависит способность бактерий активно размножаться и генерировать электричество.

Решение нашлось в технологии лазерного сплавления металлического порошка (LPBF) — разновидности аддитивного производства, при которой детали формируются послойно с субмикронной точностью. Лю поясняет: LPBF идеально подходит для подобных задач, поскольку позволяет создавать сложные геометрические структуры с увеличенной площадью контакта, что прямо влияет на плотность выходной энергии.

Две исследовательские группы совместно разработали и напечатали все элементы устройства — от анода и катода до герметизирующей крышки, собрав систему по принципу конструктора. Такой подход упростил и ускорил процессы сборки, а также облегчает модификацию. Ключевую роль сыграл анод: на его поверхности формируются колонии бактерий, и именно от этого зависит электрическая отдача.

По словам Чхве, традиционные плоские аноды неэффективны: питательные вещества медленно проникают внутрь, а продукты метаболизма накапливаются, мешая функционированию. Попытки перейти к объёмным конструкциям на основе углеродных или пластиковых материалов наталкивались на проблемы прочности и непереносимости высоких температур. Сетка из металла не давала свободы в дизайне. LPBF позволил устранить все эти ограничения.

С помощью 3D-печати команда точно настроила форму и пористость анодной поверхности, оптимизировав её для роста микроорганизмов и эффективной генерации тока. Созданный модуль оказался универсальным и надёжным: цепочка из шести миниатюрных ячеек выдала почти 1 мВт мощности — достаточно для питания 3,2-дюймового ЖК-экрана.

Ещё одним преимуществом стала возможность многократного использования. Компоненты на основе нержавеющей стали легко очищаются от биологических остатков и сохраняют функциональность при повторных циклах. Отсутствие деградации делает технологию особенно подходящей для устойчивых автономных решений.

В основе проекта также лежат идеи из докторской диссертации доцента Анвара Эльхадада — бывшего аспиранта Чхве. В своей работе он исследовал гибридные биоэлектронные платформы, объединяющие микроэлектронику с возобновляемыми источниками энергии. По его словам, создание прочных, масштабируемых электродов всегда было главной инженерной задачей, и новая конструкция успешно решает эту проблему.

В ближайших планах учёных — объединить весь производственный процесс в единый цикл, чтобы изготавливать полную сборку за один этап. Параллельно ведётся работа над интеллектуальной системой контроля питания, которая будет управлять зарядкой и разрядом по аналогии с солнечными инверторами.