Океан стал розеткой. Учёные научили бактерий вырабатывать электричество для подводных датчиков

Учёные из Мичиганского технологического университета разрабатывают подводные источники питания, которые получают электричество прямо из морской воды. Идея не в солнечных панелях, волнах или кабеле с берега. Система использует бактерии и органические вещества, уже растворённые в океане, чтобы подводные датчики могли месяцами оставаться на месте без подъёма на поверхность для замены батарей.

Проект входит в программу BLUE, BioLogical Undersea Energy, Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов США. DARPA хочет получить подводные энергетические системы, которые сами пополняют запас топлива из окружающей среды и питают датчики длительного наблюдения. Сейчас многие океанские системы мониторинга зависят от аккумуляторов. Когда заряд заканчивается, оборудование приходится поднимать, обслуживать и снова опускать в воду, а такие операции требуют судов, времени и больших затрат.

Команда Michigan Tech проверяет микробные топливные элементы, или MFC. В таких устройствах бактерии перерабатывают растворённые органические соединения и микроскопическую морскую биомассу, а побочным результатом становится электрический ток. В перспективе технология может питать датчики для военно-морской обороны, экологического мониторинга и подводных акустических сетей.

Профессор биологических наук Эми Маркарелли объясняет интерес к проекту ростом числа морских сенсоров. Такие устройства используют для наблюдения за состоянием экосистем, миграциями организмов и акустическими сигналами, важными для военно-морской сферы. Чем больше датчиков уходит в океан, тем острее становится вопрос питания: батарея ограничивает срок работы, а регулярное обслуживание превращает даже простую сеть наблюдения в дорогую операцию.

Микробный топливный элемент работает за счёт естественного обмена электронами у бактерий. Во время обмена веществ микробы переносят электроны. В системе Michigan Tech эти электроны идут от анода к катоду и создают ток, который можно использовать для питания электроники. По сути, устройство не сжигает топливо в привычном смысле, а подключается к процессам, которые бактерии и так выполняют при жизни.

Главная сложность связана с самой морской водой. Микробные топливные элементы хорошо известны по средам, где много органики, например по очистным сооружениям. В океане растворённого органического материала гораздо меньше. Морская вода также содержит много кислорода, а кислород мешает микробам вырабатывать энергию в нужном режиме. Поэтому простая переноска технологии из сточных вод в океан не работает.

Чтобы повысить отдачу, исследователи поместили гранулированный активированный уголь внутрь трубчатых топливных элементов. Этот материал концентрирует органические вещества и даёт микробам поверхность, на которой они образуют биоплёнки. Биоплёнка помогает бактериям удерживаться внутри системы и продолжать перенос электронов даже в воде с высоким содержанием кислорода.

Команда также переработала конструкцию, чтобы упростить развёртывание и снизить потери энергии. Новые версии собираются из модульных блоков, которые можно соединять в стопку. У каждого модуля есть собственный насос и плата управления. Такой подход позволяет масштабировать систему и менять конфигурацию под конкретную задачу, а не собирать каждый подводный источник питания как отдельный эксперимент.

Первые результаты уже есть. Исследователи провели 30-дневное испытание в Чесапикском заливе, и прототипы продолжали вырабатывать электричество под водой. Позже новые образцы проверили в заливе Галвестон. Там три из четырёх модулей успешно генерировали энергию во время подводных тестов.

Разработчики хотят, чтобы система работала полностью под водой и не зависела от волн на поверхности или регулярного вмешательства человека. Если микробные топливные элементы смогут давать достаточно стабильный ток, подводные датчики смогут дольше оставаться в удалённых районах, где обслуживание особенно сложно. Для военных это означает более долгую работу акустических сетей, для учёных — более непрерывные данные об экосистемах и миграции морских организмов.

Отдельная часть проекта связана с прогнозированием. Команда строит модели, которые объединяют данные дистанционного зондирования, полевые измерения, лабораторные эксперименты и реальные испытания MFC. Цель — понять, в каких прибрежных регионах мира морская среда содержит достаточно органики и даёт условия, при которых микробные топливные элементы смогут вырабатывать нужную мощность.

Следующий шаг — более крупное испытание в Чесапикском заливе. Исследователи готовят развёртывание 10 микробных топливных элементов, чтобы проверить долгосрочную работу и оценить, смогут ли такие системы когда-нибудь поддерживать подводные операции в течение года.