23.05.2022 - University of Cambridge

Photosynthese als Energiequelle für einen Mikroprozessor

Algenbetriebenes Computing: Wissenschaftler entwickeln zuverlässige und erneuerbare biologische Fotovoltaikzelle

Forscher haben eine weit verbreitete Blaualgenart verwendet, um einen Mikroprozessor ein Jahr lang ununterbrochen mit Strom zu versorgen - und das mit nichts anderem als Umgebungslicht und Wasser. Ihr System hat das Potenzial, eine zuverlässige und erneuerbare Energiequelle für kleine Geräte zu sein.

Das System, das von der Größe her mit einer AA-Batterie vergleichbar ist, enthält eine ungiftige Algenart namens Synechocystis, die auf natürliche Weise durch Photosynthese Energie von der Sonne erntet. Der winzige elektrische Strom, der dabei erzeugt wird, interagiert mit einer Aluminiumelektrode und wird zum Betrieb eines Mikroprozessors verwendet.

Das System besteht aus gewöhnlichen, preiswerten und weitgehend recycelbaren Materialien. Das bedeutet, dass es leicht hunderttausendfach vervielfältigt werden könnte, um eine große Anzahl kleiner Geräte als Teil des Internets der Dinge mit Strom zu versorgen. Die Forscher sagen, dass es wahrscheinlich am nützlichsten in netzunabhängigen Situationen oder an abgelegenen Orten sein wird, wo kleine Mengen an Strom sehr nützlich sein können.

"Das wachsende Internet der Dinge benötigt immer mehr Energie, und wir glauben, dass diese von Systemen kommen muss, die Energie erzeugen können, anstatt sie einfach wie Batterien zu speichern", sagte Professor Christopher Howe vom Fachbereich Biochemie der Universität Cambridge, einer der Hauptautoren der Studie.

Er fügte hinzu: "Unser photosynthetisches Gerät entlädt sich nicht wie eine Batterie, da es kontinuierlich Licht als Energiequelle nutzt."

In dem Experiment wurde das Gerät verwendet, um einen Arm Cortex M0+ mit Energie zu versorgen, einen Mikroprozessor, der häufig in Geräten für das Internet der Dinge verwendet wird. Das Gerät wurde in einer häuslichen Umgebung und im Freien unter natürlichem Licht und den damit verbundenen Temperaturschwankungen betrieben, und nach sechs Monaten kontinuierlicher Stromerzeugung wurden die Ergebnisse zur Veröffentlichung eingereicht.

Die Studie wird in der Zeitschrift Energy & Environmental Scienceveröffentlicht .

"Wir waren beeindruckt, wie beständig das System über einen langen Zeitraum funktionierte - wir dachten, es würde nach ein paar Wochen aufhören, aber es lief einfach weiter", sagte Dr. Paolo Bombelli vom Fachbereich Biochemie der Universität Cambridge, Erstautor der Studie.

Die Alge muss nicht gefüttert werden, da sie ihre eigene Nahrung durch Photosynthese erzeugt. Und obwohl für die Photosynthese Licht erforderlich ist, kann das Gerät auch in Zeiten der Dunkelheit Strom produzieren. Die Forscher vermuten, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass die Alge einen Teil ihrer Nahrung verarbeitet, wenn kein Licht vorhanden ist, und dadurch weiterhin elektrischen Strom erzeugt.

Das Internet der Dinge ist ein riesiges und wachsendes Netz elektronischer Geräte, die jeweils nur wenig Strom verbrauchen und über das Internet Echtzeitdaten sammeln und austauschen. Durch den Einsatz kostengünstiger Computerchips und drahtloser Netzwerke sind viele Milliarden Geräte Teil dieses Netzes - von Smartwatches bis zu Temperatursensoren in Kraftwerken. Diese Zahl wird bis 2035 voraussichtlich auf eine Billion Geräte anwachsen, was eine große Anzahl von tragbaren Energiequellen erfordert.

Den Forschern zufolge wäre es unpraktisch, Billionen von Geräten im Internet der Dinge mit Lithium-Ionen-Batterien zu versorgen: Es würde dreimal mehr Lithium benötigt, als jährlich weltweit produziert wird. Außerdem werden für die Herstellung herkömmlicher photovoltaischer Geräte gefährliche Materialien verwendet, die negative Auswirkungen auf die Umwelt haben.

Die Arbeit war eine Zusammenarbeit zwischen der Universität Cambridge und Arm, einem Unternehmen, das bei der Entwicklung von Mikroprozessoren führend ist. Arm Research entwickelte den hocheffizienten Arm Cortex M0+ Testchip, baute das Board und richtete die in den Experimenten vorgestellte Cloud-Schnittstelle zur Datenerfassung ein.

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