Een van de grote problemen met duurzame energiesystemen is de opslag van elektriciteit die is opgewekt uit wind, zon en golven. Momenteel, geen bestaande technologie zorgt voor grootschalige opslag en terugwinning van duurzame energie tegen lage financiële en milieukosten.

Engineered elektroactieve microben zouden een deel van de oplossing kunnen zijn; deze microben zijn in staat om een ​​elektron te lenen van zonne- of windelektriciteit en de energie te gebruiken om kooldioxidemoleculen uit de lucht af te breken. De microben kunnen dan de koolstofatomen gebruiken om biobrandstoffen te maken, zoals isobutanol of propanol, die in een generator kunnen worden verbrand of aan benzine kunnen worden toegevoegd, bijvoorbeeld.

"We denken dat biologie een belangrijke rol speelt bij het creëren van een duurzame energie-infrastructuur, " zei Buz Barstow, assistent-professor biologische en milieutechniek aan de Cornell University. "Sommige rollen zullen ondersteunende rollen zijn en sommige zullen grote rollen zijn, en we proberen al die plaatsen te vinden waar biologie kan werken."

Barstow is de senior auteur van "Electrical Energy Storage With Engineered Biological Systems, " gepubliceerd in de Tijdschrift voor biologische technologie .

Het toevoegen van elektrisch gemanipuleerde (synthetische of niet-biologische) elementen zou deze aanpak nog productiever en efficiënter kunnen maken dan alleen microben. Tegelijkertijd, het hebben van veel opties creëert ook te veel technische keuzes. Het onderzoek levert informatie om op basis van behoeften het beste ontwerp te bepalen.

"We stellen een nieuwe aanpak voor waarbij we biologische en niet-biologische elektrochemische engineering aan elkaar koppelen om een ​​nieuwe methode te creëren om energie op te slaan, " zei Farshid Salimijazi, een afgestudeerde student in het laboratorium van Barstow en de eerste auteur van het artikel.

Natuurlijke fotosynthese biedt al een voorbeeld om zonne-energie op grote schaal op te slaan, en het omzetten in biobrandstoffen in een gesloten koolstofkringloop. Het vangt ongeveer zes keer zoveel zonne-energie op in een jaar als alle beschavingen in dezelfde tijd gebruiken. Maar, fotosynthese is echt inefficiënt in het oogsten van zonlicht, het absorberen van minder dan één procent van de energie die fotosynthetiserende cellen raakt.

Elektroactieve microben laten ons biologische lichtoogst vervangen door fotovoltaïsche cellen. Deze microben kunnen elektriciteit opnemen in hun stofwisseling en deze energie gebruiken om CO2 om te zetten in biobrandstoffen. De aanpak belooft veel voor het maken van biobrandstoffen met hogere efficiënties.

Elektroactieve microben maken ook het gebruik van andere soorten hernieuwbare elektriciteit mogelijk, niet alleen zonne-energie, om deze conversies mogelijk te maken. Ook, sommige soorten gemanipuleerde microben kunnen bioplastics creëren die kunnen worden begraven, waardoor koolstofdioxide (een broeikasgas) uit de lucht wordt verwijderd en in de grond wordt vastgelegd. Bacteriën kunnen worden ontwikkeld om het proces om te keren, door een bioplastic of biobrandstof weer om te zetten in elektriciteit. Deze interacties kunnen allemaal plaatsvinden bij kamertemperatuur en druk, wat belangrijk is voor de efficiëntie.

De auteurs wijzen erop dat niet-biologische methoden voor het gebruik van elektriciteit voor koolstoffixatie (het opnemen van koolstof uit CO2 in organische verbindingen, zoals biobrandstoffen) beginnen de capaciteiten van microben te evenaren en zelfs te overtreffen. Echter, elektrochemische technologieën zijn niet goed in het creëren van de soorten complexe moleculen die nodig zijn voor biobrandstoffen en polymeren. Gemanipuleerde elektroactieve microben zouden kunnen worden ontworpen om deze eenvoudige moleculen om te zetten in veel gecompliceerdere.

Combinaties van gemanipuleerde microben en elektrochemische systemen zouden de efficiëntie van fotosynthese aanzienlijk kunnen overtreffen. Om deze redenen, een ontwerp dat de twee systemen verenigt, biedt de meest veelbelovende oplossing voor energieopslag, volgens de auteurs.

"Uit de berekeningen die we hebben gedaan, we denken dat het zeker mogelijk is, ' zei Salimijazi.

Het document bevat prestatiegegevens over biologische en elektrochemische ontwerpen voor koolstoffixatie. The current study is "the first time that anybody has gathered in one place all of the data that you need to make an apples-to-apples comparison of the efficiency of all these different modes of carbon fixation, " Barstow said.

In de toekomst, the researchers plan to use the data they have assembled to test out all possible combinations of electrochemical and biological components, and find the best combinations out of so many choices.

Erika Parra, a principal at MultiPHY Laboratories, Inc., is a co-author of the paper.