Вечные батарейки
Кубанские ученые получают электричество с помощью бактерий
15 марта в Краснодаре отметили научные достижения в рамках конкурса перспективных инновационных проектов Startup Tour. Из полутысячи участников на Юге России были выбраны 15, получившие признание экспертов и инвесторов рынка высоких технологий. Среди призеров оказалась разработка микробного топливного элемента для очистки сточных вод, представленная командой кубанских биологов.
Альтернативная энергетика сегодня — одно из передовых и востребованных направлений науки. Опыты по выработке тепла и света с помощью возобновляемых природных источников одновременно проходят в крупнейших исследовательских центрах мира. Доцент кафедры генетики, микробиологии и биотехнологии Кубанского госуниверситета Никита Волченко не без гордости отмечает, что российские ученые не отстают от западных коллег, становясь пионерами этого направления. Так, в Краснодаре несколько лет исследуют получение энергии с помощью микроорганизмов, которые можно найти практически в любой среде — от сточных промышленных вод до городского газона и океанского дна.
Принцип микробной «батарейки»
— Наша кафедра более 30 лет, еще с советских времен, занимается экологическими биотехнологиями. Свою школу здесь основала профессор Эмма Викторовна Карасева, специализирующаяся на нефтяной микробиологии. Ее разработки нашли широкое практическое применение: при разливе нефти на землю или поверхность воды туда вносятся микробы, которые перерабатывают, проще говоря едят углеводород, превращая его в безопасную биомассу, — делится с РП Никита Волченко. — Метод очень эффективный. Например, загрязненные нефтью почвы после очистки успешно возвращали в сельхозоборот. При университете создан хозцентр по практическому использованию научных разработок. Микробиологи КубГУ регулярно выезжают на такие разливы не только в Краснодарском крае, но и в соседние регионы.
Три года назад Кубанский университет получил серьезную государственную поддержку на создание «точек роста» — новых направлений в работе молодых ученых.
— Наша группа пошла по принципу «голубого океана», есть такой в теории управления. Можно заходить в уже освоенную нишу, бодро расталкивая локтями конкурентов, а можно приступить к области малоизученной, — продолжает кандидат биологических наук. — Так мы с коллегой Андреем Самковым выбрали второй путь и приступили к разработкам системы микробных топливных элементов. Под руководством Александра Худокормова стали исследоваться одноклеточные зеленые микроводоросли как источник липидов для биодизеля.
Подобное направление в России исследуют несколько групп ученых в Москве, Иркутске и Туле. Краснодарцы же решили охватить практически весь спектр применения «электробактерий» — от очистки сточных вод до попыток подсветки с их помощью парков и автострад.
Никита Волченко объясняет принцип их работы: стандартный аккумулятор состоит из анодной и катодной камер, соединенных двумя электродами. В «минусовую» анодную камеру вместо электролита заливают жидкость с бактериями, которые разлагают органику, отрывая от молекул органических веществ электроны. Они-то и бегут от отрицательного анода к положительному катоду, создавая электричество.
Электричество со дна Карасуна
Через полтора года исследований краснодарские ученые получили авторский патент на каскадную систему микробных топливных элементов, разработанную Андреем Самковым. Себестоимость получившейся системы небольшая — порядка 20 тысяч рублей. Правда, и электричество она пока дает немного — порядка 2 ватт на кубометр установки.
—Во время опытов мы моделировали сточную воду различного состава, потом я в пятилитровых бутылках привозил реальные сточные воды с сахарного завода. Самым же органически концентрированным оказался раствор из переработанной бумаги — листы бумаги измельчили и скормили бактериям-целлюлозолитикам, получив «сироп» желтоватого цвета и с весьма специфическим запахом, — перечисляет ученый. — Использовали устройства и в почве. Но из-за засушливого лета сбой дала уже электропроводность почвы, подкачала не биология, а физика.
А вот канализационные стоки для высоких технологий не подойдут — слишком много органики и мало аэрации, то есть доступа кислорода.
— Вырабатывая электроэнергию из сточных вод, мы проводим и их доочистку. Конечно, основную систему очистки заменить не сможем, но бонус в том, что свет получаем из отходов с отрицательной стоимостью, затрат на ресурсы не требуется, — уточнил Никита Волченко.
На международном инвестиционном форуме «Сочи-2014» руководство университета презентовало этот проект мэру Краснодара Владимиру Евланову. Тот одобрил его первое практическое использование — на дне озера Карасун. В этом случае «анодный» элемент топится в илистый грунт, а «катодный» свободно плавает в воде. Получаемая энергия пока идет на работу мультиметра, фиксирующего ее мощность.
Расчеты показывают, что бактерии с 7 кв. метров дна должны обеспечивать электричеством сверхъяркую светодиодную лампочку, работающую в пульсирующем режиме или сенсоров сходной мощности. Так что технологию можно вполне реально использовать для следящих за перемещением подводок и кораблей морских датчиков контроля пространства, в метеорологии, для подсветки водной глади. Перспективное направление — доочистка сточных вод предприятий перерабатывающей и пищевой промышленности. Главное преимущество — не нужно менять батарейки, ведь органики на планете очень много.
Западные коллеги уже точечно применяют эту технологию — в одном из городов Голландии проект поддержали муниципальные власти, теперь бактерии освещают барьеры вдоль дороги, а экспериментальные морские датчики используются американцами в Атлантике.
«Когда встречаю «плач» по 90-м, искренне удивляюсь»
— Развивая альтернативную энергетику, мы становимся конкурентами нефтегазовых компаний. И если наша технология станет массовой, монополистам ничего не останется, кроме как выкупить ее или нанять киллера. Для нас, разумеется, предпочтительнее первый вариант, — улыбается биолог из Краснодара. — Если серьезно, сверхмассовой альтернативная энергетика вряд ли станет. Посмотрите на солнечные батареи — это направление активно развивается несколько десятилетий. Оно уже вышло из стадии «только для космоса и военных», многие умельцы ставят их у себя на крышах, но ТЭЦ пока не обанкротилась, этот источник энергии не заменил ныне существующие. Альтернативная энергетика скорее нишевый продукт для автономных систем и фанатов зеленых технологий.
Никита уточняет, что за последние десять лет государство — это фактически единственный институт, помогающий молодым ученым. Отечественный бизнес неохотно вкладывается в новые технологии.
— Можно много проектировать, изобретать, причем не хуже западных коллег. Но бизнес предпочитает покупать готовые отработанные импортные технологии, чем связываться с развитием российских. Даже скачок курса доллара ситуацию не изменил. Наверное, это извечная беда российской науки — мы не отстаем от мировых тенденций, разрабатывая удивительные технические идеи, но параллельно работающие иностранные коллеги быстрее перекладывают их на экономические рельсы, сразу получая финансовую выгоду, — говорит Никита Волченко. — Пока наши исследования с альтернативной энергетикой «зависли» между лабораторией и использованием на практике. Мы уже знаем, что «микробные батарейки» работают, но для их расширенного применения нужна заинтересованность именно бизнеса, нужно финансирование.
Проект краснодарских ученых неоднократно получал гранты общественных фондов, но, как правило, это небольшие суммы (до 200 тысяч рублей), позволяющие продолжить начатое исследование, а не совершить научный прорыв. При этом, уверен Никита Волченко, у его более молодых коллег сегодня больше возможностей найти себя именно в отечественной науке.
— Встречая в соцсетях «плач» по 90-м, искренне удивляюсь. Наверное, мы с авторами таких текстов жили в разных 90-х. Когда в 2002 году я окончил биологический факультет, однокурсники грустно шутили — встретимся на вещевом рынке, куда устроимся продавцами, — делится собеседник. — Сейчас же студент, суммарно получающий стипендию в 20 тысяч рублей, реальность. Мой «дипломник» получает чуть меньше, чем я, будучи доцентом. Но основной прорыв, произошедший с середины 2000-х — университеты оснастили современным оборудованием, мы не отстаем от мировых исследовательских центров. Электронные микроскопы, спектрографы, ядерно-силовые и электронные микроскопы свободно используются в Кубанском государственном университете, позволяя развивать отечественную науку.