Niche-technologieën, innovatief materiaal

Nieuwe groene technologie wekt elektriciteit op uit luchtvochtigheid

26 februari 2020
Nieuwe groene technologie wekt elektriciteit op uit luchtvochtigheid

Wetenschappers van de Universiteit van Massachusetts Amherst hebben een apparaat ontwikkeld dat gebruik maakt van een natuurlijk eiwit om elektriciteit te maken uit vocht in de lucht, een nieuwe technologie die volgens hen belangrijke gevolgen kan hebben voor de toekomst van hernieuwbare energie, klimaatverandering en in de toekomst van de geneeskunde.

Zoals gerapporteerd in Nature, hebben de laboratoria van elektrotechnisch ingenieur Jun Yao en microbioloog Derek Lovley aan de UMass Amherst een apparaat gecreëerd dat zij een "Air-gen." of lucht-aangedreven generator noemen, met elektrisch geleidende proteïne-nanodraden geproduceerd door de microbe Geobacter. De Air-gen verbindt elektroden op zodanige wijze met de proteïne-nanodraden dat elektrische stroom wordt opgewekt uit de waterdamp die van nature in de atmosfeer aanwezig is, zo meldt ScienceDaily.

"We maken letterlijk elektriciteit uit dunne lucht," zegt Yao. "De Air-gen genereert 24/7 schone energie." Lovely, die al drie decennia duurzame op biologie gebaseerde elektronische materialen ontwikkelt, voegt daaraan toe: "Het is de meest verbazingwekkende en opwindende toepassing van proteïne nanodraden tot nu toe."

De nieuwe technologie die in Yao's lab is ontwikkeld, is niet vervuilend, hernieuwbaar en goedkoop. Ze kan zelfs stroom opwekken in gebieden met een extreem lage vochtigheidsgraad, zoals de Sahara-woestijn. Het heeft belangrijke voordelen ten opzichte van andere vormen van hernieuwbare energie, zoals zonne- en windenergie, zegt Lovley, omdat in tegenstelling tot deze andere hernieuwbare energiebronnen, de Air-gen geen zonlicht of wind nodig heeft, en "het werkt zelfs binnenshuis."

Het Air-gen apparaat vereist slechts een dunne film van eiwit nanodraden van minder dan 10 micron dik, leggen de onderzoekers uit. De onderkant van de film rust op een elektrode, terwijl een kleinere elektrode die slechts een deel van de nanodraadfilm bedekt er bovenop zit. De film adsorbeert waterdamp uit de atmosfeer. Een combinatie van het elektrisch geleidingsvermogen en de oppervlaktechemie van de proteïnenanodraden, gekoppeld aan de fijne poriën tussen de nanodraden in de film, zorgt voor de voorwaarden die een elektrische stroom tussen de twee elektroden opwekken.

De onderzoekers zeggen dat de huidige generatie van Air-gen apparaten in staat is om kleine elektronica van stroom te voorzien, en ze verwachten de uitvinding binnenkort op commerciële schaal te kunnen brengen. De volgende stappen die ze plannen zijn onder meer de ontwikkeling van een kleine Air-gen "patch" die elektronische wearables zoals gezondheids- en fitnessmonitoren en slimme horloges van stroom kan voorzien, waardoor er geen traditionele batterijen meer nodig zouden zijn. Ze hopen ook Air-gens te ontwikkelen om toe te passen op mobiele telefoons om periodiek opladen te elimineren.

Yao zegt: "Het uiteindelijke doel is om systemen op grote schaal te maken. De technologie zou bijvoorbeeld kunnen worden verwerkt in muurverf die je huis van energie zou kunnen voorzien. Of we kunnen stand-alone luchtgeneratoren ontwikkelen die elektriciteit leveren buiten het elektriciteitsnet om. Als we eenmaal op industriële schaal draad kunnen produceren, verwacht ik dat we grote systemen kunnen maken die een grote bijdrage zullen leveren aan duurzame energieproductie.

Lovley's laboratorium heeft onlangs een nieuwe microbiële stam ontwikkeld om sneller en goedkoper massaal proteïne nanodraden te produceren, waarmee de praktische biologische mogelijkheden van Geobacter verder worden uitgebreid. "We hebben van E. coli een eiwit-nanodradenfabriek gemaakt," zegt hij. "Met dit nieuwe schaalbare proces zal de levering van proteïne nanodraden niet langer een knelpunt zijn voor de ontwikkeling van deze toepassingen."

De Air-gen ontdekking weerspiegelt een ongewone interdisciplinaire samenwerking, zeggen ze. Lovley ontdekte de Geobacter-microbe meer dan 30 jaar geleden in de modder van de Potomac-rivier. Zijn laboratorium ontdekte later dat deze bacterie elektrisch geleidende proteïne-nanodraden kon produceren. Voordat Yao naar UMass Amherst kwam, had hij jarenlang aan de Harvard University gewerkt, waar hij elektronische apparaten met silicium nanodraden ontwikkelde. Zij bundelden hun krachten om te zien of nuttige elektronische apparaten konden worden gemaakt met de proteïnenanodraden van Geobacter.

Xiaomeng Liu, een Ph.D. student in Yao's lab, was sensorapparaten aan het ontwikkelen toen hij iets onverwachts opmerkte. Hij herinnert zich: "Ik zag dat wanneer de nanodraden op een specifieke manier in contact kwamen met elektroden, de apparaten een stroom genereerden. Ik ontdekte dat blootstelling aan luchtvochtigheid essentieel was en dat eiwitnanodraden water adsorbeerden, waardoor een spanningsgradiënt over het apparaat ontstond."

Naast de Air-gen heeft Yao's laboratorium verschillende andere toepassingen ontwikkeld met de proteïne nanodraden. "Dit is nog maar het begin van een nieuw tijdperk van op eiwit gebaseerde elektronische apparaten" zei Yao.

 

Dit artikel is gepubliceerd onder Creative Commons licentie 4.0 en verscheen eerder op Tasnim Nieuws Agentschap.


Gerelateerde Inhoud