Onderzoekers gebruiken algen, licht en water om microprocessor aan te drijven

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben een indrukwekkende prestatie geleverd op het gebied van microverwerking. Het team gebruikte een wijdverspreide soort algen om een microprocessor gedurende een jaar continu aan te drijven, en ze deden dit met alleen omgevingslicht en water. Het nieuwe systeem kan een betrouwbare en hernieuwbare methode zijn voor het aandrijven van kleine apparaten.

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Energy & Environmental Science.

Het aandrijven van een klein systeem met algen

Het systeem is vergelijkbaar in grootte met een AA-batterij en bestaat uit een type niet-toxische algen bekend als Synechocystis. Deze algen halen natuurlijk energie uit de zon door middel van fotosynthese, wat een kleine elektrische stroom genereert die interacteert met een aluminium-elektrode. Dit is wat de algen in staat stelt om een microprocessor aan te drijven.

Het systeem is gebouwd uit goedkope en grotendeels recyclebare materialen, wat betekent dat het honderdduizenden keren kan worden gerepliceerd en veel kleine apparaten in het Internet of Things (IoT) kan aandrijven. Volgens het team kan dit systeem worden gebruikt in situaties zonder stroom of in afgelegen gebieden, waarbij het kleine hoeveelheden stroom gebruikt.

Professor Christopher Howe van de afdeling Biochemie van de Universiteit van Cambridge is de senior auteur van het artikel.

“Het groeiende Internet of Things heeft steeds meer stroom nodig, en we denken dat dit moet komen van systemen die energie kunnen opwekken, in plaats van alleen op te slaan zoals batterijen,” zei professor Howe. “Ons fotosynthetisch apparaat loopt niet leeg zoals een batterij, omdat het continu licht als energiebron gebruikt.”

Het bouwen en testen van het systeem

Het experiment dat door het team werd uitgevoerd, gebruikte het apparaat om een Arm Cortex M0+ aan te drijven, een microprocessor die vaak in IoT-apparaten wordt gebruikt. In een huishoudelijke omgeving en semi-buitenshuis onder natuurlijk licht en temperatuurschommelingen, konden de onderzoekers solide resultaten behalen na zes maanden van continue stroomproductie.

Dr. Paolo Bombelli van de afdeling Biochemie van de Universiteit van Cambridge is de eerste auteur van het artikel.

“We waren onder de indruk van hoe consistent het systeem werkte over een lange periode – we dachten dat het misschien zou stoppen na een paar weken, maar het bleef gewoon doorgaan,” zei Dr. Bombelli.

Het specifieke type algen dat voor het systeem wordt gebruikt, heeft geen voeding nodig, omdat het zijn eigen voedsel produceert door middel van fotosynthese. Ondanks dat fotosynthese licht vereist, kan het apparaat stroom produceren tijdens perioden van duisternis. Volgens het team kan dit komen doordat de algen een deel van hun voedsel verwerken in omstandigheden zonder licht, wat helpt om een elektrische stroom te blijven genereren.

Aangezien het aandrijven van triljoenen IoT-apparaten met lithium-ionbatterijen zeer onpraktisch is, en traditionele fotovoltaïsche apparaten zijn gemaakt van gevaarlijke materialen die het milieu schaden, kan deze nieuwe ontwikkeling grote gevolgen hebben voor het veld.

Het onderzoek was een samenwerking tussen de universiteit en Arm, dat een toonaangevend bedrijf is in microprocessorontwerp. Arm Research was verantwoordelijk voor de ontwikkeling van de Arm Cortex M0+-testchip, het bouwen van de printplaat en het opzetten van de data-collectiecloudinterface in de experimenten.