แบตเตอรีชีวภาพใหม่ใช้ปฏิกิริยาของแบคทีเรียเพื่อสร้างพลังงาน

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยบิงแฮมตัน มหาวิทยาลัยแห่งรัฐนิวยอร์ก ได้พัฒนาแบตเตอรี่ชีวภาพแบบ “เสียบแล้วใช้งานได้จริง” ซึ่งใช้งานได้ครั้งละหลายสัปดาห์ และสามารถวางซ้อนกันได้เพื่อปรับปรุงแรงดันไฟขาออกและกระแสไฟ

 

เนื่องจากความต้องการด้านเทคโนโลยีของเราเติบโตขึ้นและ Internet of Things ได้เชื่อมต่ออุปกรณ์และเซ็นเซอร์ของเราเข้าด้วยกันมากขึ้น การหาวิธีจัดหาพลังงานในสถานที่ห่างไกลได้กลายเป็นสาขาการวิจัยที่ขยายออกไป

 

ศาสตราจารย์ Seokheun “Sean” Choi คณาจารย์ในภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ที่ Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science แห่งมหาวิทยาลัย Binghamton ได้ทำงานเกี่ยวกับแบตเตอรี่ชีวภาพซึ่งผลิตกระแสไฟฟ้าผ่านปฏิสัมพันธ์ของแบคทีเรีย

ปัญหาหนึ่งที่เขาพบคือ แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานจำกัดเพียงไม่กี่ชั่วโมง ซึ่งอาจเป็นประโยชน์ในบางสถานการณ์ แต่ไม่ใช่สำหรับการตรวจสอบระยะยาวในสถานที่ห่างไกล

 

ในการศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Power Sources และได้รับทุนสนับสนุน $510,000 จาก Office of Naval Research ชอยและผู้ร่วมงานของเขาได้พัฒนาแบตเตอรี่ชีวภาพแบบ “plug-and-play” ที่ใช้งานได้นานหลายสัปดาห์ในแต่ละครั้งและสามารถ ซ้อนกันเพื่อปรับปรุงแรงดันขาออกและกระแส ผู้เขียนร่วมในการวิจัยนี้มาจากห้องทดลอง Bioelectronics and Microsystems ของ Choi: นักศึกษาระดับปริญญาเอกคนปัจจุบัน Anwar Elhadad และ Lin Liu, PhD ’20 (ปัจจุบันเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยซีแอตเทิลแปซิฟิก)

แบตเตอรี่รุ่นก่อนของ Choi มีแบคทีเรีย 2 ตัวที่ทำปฏิกิริยาเพื่อสร้างพลังงานที่จำเป็น แต่การทำซ้ำใหม่นี้ใช้แบคทีเรียสามตัวในห้องแนวตั้งที่แยกจากกัน: “แบคทีเรียสังเคราะห์แสงสร้างอาหารอินทรีย์ที่จะใช้เป็นสารอาหารสำหรับเซลล์แบคทีเรียอื่นๆ ที่อยู่ด้านล่าง คือแบคทีเรียที่ผลิตกระแสไฟฟ้า และแบคทีเรียระดับกลางจะสร้างสารเคมีบางอย่างเพื่อปรับปรุงการถ่ายเทอิเล็กตรอน”

 

Choi เชื่อว่าแอปพลิเคชันที่ท้าทายที่สุดสำหรับ Internet of Things จะเป็นเครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สายที่ปรับใช้โดยไม่มีใครดูแลในสภาพแวดล้อมที่ห่างไกลและเลวร้าย เซ็นเซอร์เหล่านี้จะอยู่ไกลจากโครงข่ายไฟฟ้าและยากที่จะเปลี่ยนแบตเตอรี่แบบเดิมเมื่อแบตเตอรี่หมด เนื่องจากเครือข่ายเหล่านี้จะทำให้ทุกมุมโลกสามารถเชื่อมต่อได้ ความเป็นอิสระด้านพลังงานจึงเป็นข้อกำหนดที่สำคัญที่สุด

 

“ตอนนี้เราอยู่ที่ 5G และภายใน 10 ปีข้างหน้า ผมเชื่อว่ามันจะเป็น 6G” เขากล่าว “ด้วยปัญญาประดิษฐ์ เราจะมีอุปกรณ์อัจฉริยะที่ทำงานแบบสแตนด์อโลนและเปิดตลอดเวลาจำนวนมหาศาลบนแพลตฟอร์มขนาดเล็กมาก คุณจะขับเคลื่อนอุปกรณ์ขนาดเล็กเหล่านี้ได้อย่างไร แอปพลิเคชันที่ท้าทายที่สุดคืออุปกรณ์ที่ใช้งานในสภาพแวดล้อมที่ไม่ต้องดูแล เราไม่สามารถ ไปที่นั่นเพื่อเปลี่ยนแบตเตอรี่ เราจึงต้องการเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานขนาดเล็ก”

 

Choi เปรียบเทียบแบตเตอรี่ชีวภาพใหม่เหล่านี้ ซึ่งมีขนาด 3 เซนติเมตรคูณ 3 เซนติเมตร กับอิฐเลโก้ที่สามารถรวมและกำหนดค่าใหม่ได้หลายวิธีขึ้นอยู่กับเอาท์พุตไฟฟ้าที่เซ็นเซอร์หรืออุปกรณ์ต้องการ

 

ในบรรดาการปรับปรุงที่เขาหวังว่าจะบรรลุผลผ่านการวิจัยเพิ่มเติมคือการสร้างแพ็คเกจที่สามารถลอยบนน้ำและดำเนินการรักษาตัวเองเพื่อซ่อมแซมความเสียหายที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงโดยอัตโนมัติ

 

“เป้าหมายสูงสุดของฉันคือการทำให้มันเล็กจริงๆ” เขากล่าว “เราเรียกสิ่งนี้ว่า ‘ฝุ่นอัจฉริยะ’ และเซลล์แบคทีเรียสองสามเซลล์สามารถสร้างพลังงานเพียงพอที่จะใช้งาน จากนั้นเราสามารถโรยมันไปทั่วบริเวณที่เราต้องการ”

 

นักวิทยาศาสตร์พัฒนาแบตเตอรี่ชีวภาพที่สร้างพลังงานได้นานหลายสัปดาห์

 

ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัย Binghamton ได้สร้างแบตเตอรี่ชีวภาพที่ใช้งานได้ครั้งละหลายสัปดาห์ และสามารถวางซ้อนกันได้เพื่อปรับปรุงเอาต์พุตและกระแสไฟ

เทคโนโลยีอยู่ในสถานะวิวัฒนาการอย่างต่อเนื่องและเป็นความต้องการที่จะเติบโต ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยบิงแฮมตัน นิวยอร์ก ได้พัฒนาแบตเตอรี่ชีวภาพแบบ ‘เสียบแล้วใช้งานได้จริง’ เนื่องจาก Internet of Things เชื่อมต่ออุปกรณ์และเซ็นเซอร์เข้าด้วยกันมากขึ้น และการค้นพบวิธีจัดหาพลังงานในสถานที่ห่างไกลได้กลายเป็นหัวข้อที่น่าสนใจสำหรับนักวิทยาศาสตร์หลายคน

 

การศึกษานี้ได้รับการตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ในวารสาร Power Sources และได้รับทุนสนับสนุน $510,000 จากสำนักงานวิจัยกองทัพเรือ

 

แบตเตอรี่ชีวภาพคืออะไร?

ศาสตราจารย์ Seokheun Sean Choi เป็นอาจารย์ในภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ที่มหาวิทยาลัย Binghamton และได้ทำการตรวจสอบแบตเตอรี่ชีวภาพมานานหลายปี แบตเตอรีชีวภาพสร้างกระแสไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาของแบคทีเรีย ผู้เขียนร่วมของงานวิจัยนี้มาจากห้องทดลอง Bioelectronics และ Microsystems ของ Choi รวมถึงนักศึกษาระดับปริญญาเอกปัจจุบัน Anwar Elhadad และ Lin Liu ปริญญาเอก และปัจจุบันเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยซีแอตเทิลแปซิฟิก

ปัญหาที่ทีมวิจัยเผชิญคืออายุการใช้งานที่จำกัดของแบตเตอรี่ นักวิทยาศาสตร์ยอมรับว่าช่วงชีวิตสั้นอาจมีประโยชน์ในบางสถานการณ์ แต่ไม่ใช่สำหรับการตรวจสอบระยะยาวในสถานที่ห่างไกล

 

แบตเตอรี่รุ่นก่อนๆ ที่พัฒนาโดย Choi มีแบคทีเรีย 2 ตัวที่ทำปฏิกิริยาเพื่อสร้างพลังงานที่จำเป็น อย่างไรก็ตาม การทำซ้ำครั้งใหม่นี้ใช้แบคทีเรีย 3 ตัวในห้องแนวตั้งที่แยกจากกัน

 

“แบคทีเรียสังเคราะห์แสงสร้างอาหารอินทรีย์ที่จะใช้เป็นสารอาหารสำหรับเซลล์แบคทีเรียอื่นๆ ที่อยู่ด้านล่าง ด้านล่างคือแบคทีเรียที่ผลิตกระแสไฟฟ้า และแบคทีเรียระดับกลางจะสร้างสารเคมีบางอย่างเพื่อปรับปรุงการถ่ายเทอิเล็กตรอน” ชอยอธิบาย

 

ความท้าทายใดบ้างที่เกี่ยวข้องกับการสร้างแบตเตอรี่ชีวภาพ

นักวิจัยคาดการณ์ว่าแอปพลิเคชั่นที่ท้าทายที่สุดสำหรับ Internet of Things จะเป็นเครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สายที่ติดตั้งโดยไม่มีใครดูแลในสภาพแวดล้อมที่ห่างไกลและรุนแรง เซ็นเซอร์เหล่านี้จะอยู่ไกลจากโครงข่ายไฟฟ้า และยากที่จะเปลี่ยนแบตเตอรี่แบบเดิมเมื่อแบตเตอรี่หมด ดังนั้น เนื่องจากเครือข่ายเหล่านี้จะยอมให้ทุกมุมโลกเชื่อมต่อกันได้ ความเป็นอิสระด้านพลังงานจึงเป็นข้อกำหนดที่สำคัญที่สุด

“ตอนนี้เราอยู่ที่ 5G และภายใน 10 ปีข้างหน้า ผมเชื่อว่ามันจะเป็น 6G” เขากล่าว “ด้วยปัญญาประดิษฐ์ เราจะมีอุปกรณ์อัจฉริยะที่ทำงานแบบสแตนด์อโลนและเปิดตลอดเวลาจำนวนมหาศาลบนแพลตฟอร์มขนาดเล็กมาก คุณจะเพิ่มพลังให้กับอุปกรณ์ขนาดเล็กเหล่านี้ได้อย่างไร แอปพลิเคชันที่ท้าทายที่สุดคืออุปกรณ์ที่ใช้งานในสภาพแวดล้อมที่ไม่ต้องใส่ข้อมูล เราไม่สามารถไปที่นั่นเพื่อเปลี่ยนแบตเตอรี่ได้ ดังนั้นเราจึงต้องการเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานขนาดเล็ก”

 

แบตเตอรีชีวภาพใหม่เหล่านี้มีขนาด 3 ซม. x 3 ซม. 2 และนักวิทยาศาสตร์ได้นำไปเปรียบเทียบกับอิฐเลโก้ เนื่องจากสามารถรวมและกำหนดค่าใหม่ได้หลายวิธีขึ้นอยู่กับเอาต์พุตไฟฟ้าที่เซ็นเซอร์หรืออุปกรณ์ต้องการ

 

ต่อไป นักวิทยาศาสตร์ตั้งใจที่จะดำเนินการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อสร้างบรรจุภัณฑ์ที่สามารถลอยน้ำและซ่อมแซมตัวเองเพื่อซ่อมแซมความเสียหายที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่ไม่เอื้ออำนวยได้โดยอัตโนมัติ

 

“เป้าหมายสูงสุดของฉันคือการทำให้มันเล็กมาก” ชอยสรุป “เราเรียกสิ่งนี้ว่า ‘ฝุ่นอัจฉริยะ’ และเซลล์แบคทีเรียสองสามเซลล์สามารถสร้างพลังงานเพียงพอที่จะใช้งานได้ จากนั้นเราสามารถโรยไปรอบ ๆ ที่เราต้องการ”

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ dennisandlavery.com