Forskere ved Binghamton University har utviklet et bakteriedrevet batteri inspirert av strukturen i menneskets tynntarm. Batteriet brukte bakterier til å produsere elektrisitet og opprettholdt en spenning på rundt 0,75 volt i minst 14 timer under testing.

Teknologien kan på sikt brukes i avløpsrør, der organisk avfall i vannet fungerer som næringskilde for bakteriene. Målet er å kunne produsere nok strøm til små sensorer og andre enheter med lavt strømforbruk.

Henter inspirasjon fra tarmtottene

Bakteriebatterier produserer strøm ved å utnytte mikroorganismenes stoffskifte. Hvor godt de fungerer, avhenger blant annet av hvor effektivt bakteriene får tilført næring og kvitter seg med avfallsstoffer.

Vanlige todimensjonale elektroder gir begrenset plass for bakterievekst. Porøse materialer kan gi større overflate, men kan tettes når bakteriene danner biofilm. Da blir det vanskeligere for næringsstoffer og avfallsprodukter å bevege seg gjennom materialet.

«Porøse strukturer kan lett tettes av biofilm, så vi hadde mange problemer med tilførsel av næringsstoffer, opphopning av avfall og ujevn biofilmdannelse», sa Seokheun «Sean» Choi, professor i elektroteknikk og datateknikk ved Binghamton University.

For å løse problemet studerte Choi og doktorgradsforskerne Ruohan Zhang og Botian Wang tarmtottene i tynntarmen. Disse små, fingerformede utvekstene gir tarmen stor overflate, samtidig som næringsstoffene må bevege seg over relativt korte avstander.

Forskerne laget tilsvarende fleksible utvekster av en polymerbasert hydrogel som ofte brukes i biomedisinske sammenhenger. Den tredimensjonale strukturen skulle gi bakteriene plass gjennom hele elektroden, samtidig som den kunne legge bedre til rette for transport av næring og avfall.

Bakterier støpt inn i en fleksibel elektrode

Forskerne bygget inn bakterien Bacillus subtilis i hydrogelen. De bakterieholdige strukturene fungerer som batteriets anode, der bakterieaktiviteten bidrar til å generere elektrisitet.

På motsatt side av en ionebyttermembran plasserte forskerne en modifisert katode av karbonduk. Sammen gjør komponentene det mulig for batteriet å produsere strøm når bakteriene bryter ned næringsstoffer.

Choi ser for seg at fremtidige versjoner kan plasseres inne i avløpsrør, der mikroorganismene bruker organisk materiale i vannet som drivstoff.

«Vi kan plassere dette biobatteriet i et avløpsrør, fordi det enkelt kan integreres med omgivelsene», sa Choi.

Den fleksible hydrogelen kan gjøre det mulig for batteriet å tilpasse seg rør med ulike former og størrelser. Slike systemer kan på sikt levere strøm til små sensorer uten behov for konvensjonelle batterier.

Foreløpig testet under kontrollerte forhold

Teknologien er fortsatt på et tidlig stadium. Spenningen på rundt 0,75 volt ble opprettholdt med kontinuerlig tilførsel av næringsmedium, og forskerne har ennå ikke vist at systemet fungerer inne i et avløpsrør.

Forskerne ønsker også å forenkle produksjonen gjennom en ett-trinns trykkeprosess, slik at strukturene kan bli enklere å fremstille i større skala.

Et annet mål er å forbedre fordelingen av bakterier i batteriet. I menneskets tarm er mikroorganismene hovedsakelig konsentrert i et slimlag nær overflaten av tarmtottene. I den nåværende utformingen er bakteriene i stedet fordelt gjennom hele hydrogelen.

Videre arbeid skal undersøke om en mer realistisk gjenskaping av tarmens fysiske og kjemiske forhold kan bidra til å holde bakteriene aktive og forbedre batteriets ytelse. Funnene er publisert i tidsskriftet Small.