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| 本文作者： 我在思考中 | 2022-05-19 14:05 |
作者 | 李梅 、劉冰一
我們知道，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要可持續(xù)的、可負擔的、分散的電能來提供動力來源。雖然單一物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗很溫和，范圍只是從微瓦到毫瓦，但如今物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量已經(jīng)達到數(shù)十億，預(yù)計到2035年增加到一萬億，這就需要大量的便攜式能源，比如一塊電池或者一個能量收割機。
但是電池主要依賴于昂貴和不可持續(xù)的材料（如稀土元素），而且電量最終會耗盡。
而現(xiàn)有的能源收割機（例如太陽能、溫度、振動）雖然持續(xù)時間較長，但對環(huán)境不友好，比如光伏生產(chǎn)中會使用到有害材料。
那么，有沒有一種既便攜，又便宜耐用，而且還能保護環(huán)境的能源收集系統(tǒng)呢？
劍橋大學(xué)的一個研究團隊告訴你：當然有！
就是下面這個裝有藍藻的容器，它已經(jīng)為一臺計算機供電長達一年！
這個裝置高6厘米，長3.1厘米，寬2.3厘米，可以說是非常小了。（道理我都懂，為什么這張圖看起來那么大...）
而且，它所需的材料簡單廉價可回收：塑料、鋁、藍藻、水。
有了這個，還要電池干嘛？?
這個能源收割機是一種生物光伏能源收集系統(tǒng)，它出自劍橋大學(xué)生物化學(xué)系的Chris Howe教授和他的同事之手。這項研究的題目為"Powering a microprocessor by photosynthesis"，論文已發(fā)表在Energy&Environmental Science期刊上。
論文地址：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/EE/D2EE00233G
研究人員用鋁和透明塑料造了一個AA電池大小的金屬外殼，里面放置了一種名為PCC 6803的藍藻菌群，也就是俗稱的「藍藻」。當藍藻暴露在陽光下時，它就可以通過光合作用產(chǎn)生氧氣。
圖注：藍藻菌群（圖源ScienceDirect）
在2021年疫情封鎖期間，這個裝置就待在團隊成員Paolo Bombelli家中的窗臺上，通過藻類進行光合作用產(chǎn)生微小的電流，為微處理器ARM Cortex-M0+連續(xù)供電。
圖注：Arm Cortex-M0+ 微處理器
ARM Cotex-M0+芯片來自芯片制造商Arm，他們與劍橋大學(xué)的研究團隊合作，為其提供了測試設(shè)備和用于數(shù)據(jù)收集的云接口。這款芯片并非專門為研究而生，而是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備常用的微處理器，樹莓派Pico的CPU就是它。
圖注：給ARM芯片供電的藍藻發(fā)電裝置
研究人員原本以為，這個系統(tǒng)可能會在幾周后就停止工作，沒想到它日夜不休地工作了6個月，而且在實驗結(jié)束后，藍藻還在繼續(xù)發(fā)電，一直運行到現(xiàn)在。
那么這個裝置是怎么產(chǎn)生能源的呢？
理論上有兩種可能的來源：要么是藍藻自身產(chǎn)生電子，從而產(chǎn)生電流；要么是它們創(chuàng)造了條件，使容器中的鋁陽極在化學(xué)反應(yīng)中被腐蝕，從而產(chǎn)生電子和電流。而在這項實驗中，并沒有對陽極進行任何明顯的降解，所以研究人員認為，藍藻產(chǎn)生了大部分電流。
近年來，海藻已經(jīng)成為生物燃料的新寵兒，藻類可以生成氫、凈化廢水、去除大氣中的二氧化碳等等，儼然成為了不起的“煉金術(shù)士”，有著發(fā)展清潔技術(shù)的強大潛力。
而該實驗所用的PCC 6803是一種單細胞淡水藍細菌的菌株，屬于集胞藻（Synechocystis sp），它像其他植物一樣可以通過光合作用從太陽光中獲得能量，產(chǎn)生微弱的電流。
所以只要在水槽中放入電極，就可以將產(chǎn)生的電流作為電池來使用。而物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的處理器只需要非常微弱的功率就可以驅(qū)動，所以使用藻類來為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電是很合適的。
在實驗期間，這臺由藻類驅(qū)動的微型計算機執(zhí)行了一些基本運算，以45分鐘為周期，計算連續(xù)整數(shù)的總和來模擬計算工作量，僅耗費0.3微瓦的電力，待機15分鐘則需要0.24微瓦的電力。計算機自己測量設(shè)備輸出的電流，這些數(shù)據(jù)存儲在云端，供研究人員分析。
圖注：研究團隊成員 Christopher Howe（左）和 Paolo Bombelli（右），圖片來自劍橋大學(xué)
雖然這個裝置產(chǎn)生的電流比較微弱，但已經(jīng)足夠為一些小型電子設(shè)備充電了。不過要想為一臺普通的臺式計算機供電還是遠遠不夠的，一臺計算機的實際耗能情況會因工作量和使用年限等因素而不同，如果一臺計算機每小時消耗 100 瓦的功率，那么運行這臺電腦大約需要333,000,000 塊藻類“電池”。所以，將來還需要進一步擴大規(guī)模，來為需要耗費更多電力的設(shè)備供電。
目前藻類“電池”規(guī)模是小了點，但Christopher Howe對這個裝置的續(xù)航能力尤為自豪，「這個光合作用裝置不會像電池那樣很快耗盡。」與傳統(tǒng)的電池或太陽能相比，水藻對環(huán)境依賴性小，不斷地使用光作為能量來源提供持續(xù)電力。
這種藻類并不需要喂養(yǎng)，它們可以在光合作用時「生產(chǎn)」自己的食物，從自然陽光中收集能量。而且，在夜間沒有光的情況下，這個設(shè)備可以通過「吃」白天儲存的電繼續(xù)供能。藻類分為自養(yǎng)型和異養(yǎng)型，最為常見易得的就是光能自養(yǎng)型。也就是說有「光」啥都好說。
該裝置目前只在概念驗證階段，下一步，研究者很有可能將藻類供電芯片應(yīng)用于的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)有很大的電能缺口，它需要像藻類生物發(fā)電這樣的持續(xù)供能系統(tǒng)，而不是一塊只會簡單儲存能量的電池。
近年來，碳達峰、碳中和風很大，固碳減排是實現(xiàn)全球碳中和的關(guān)鍵一環(huán)。像用藻類植物光合作用賦能某臺機器設(shè)備，就屬于「綠色計算」范疇。
「綠色計算」拆開理解，綠色簡單來說就是低碳和無害，即環(huán)境友好、資源節(jié)約，可高效循環(huán)利用。計算可理解為包含軟硬件結(jié)合的終端設(shè)備、服務(wù)器和相關(guān)系統(tǒng)等。
海藻是一種常見的海洋生物，在三十五億年前就已經(jīng)出現(xiàn)了，四舍五入也算是世界上釋放氧氣最多的生物TopX。藻類能源的利用方式屬于「生物光伏」（biophotovoltaics, BPV），是一條生物學(xué)路徑利用太陽能的方式，聽起來好像產(chǎn)業(yè)大地即將有一股清新風吹過似的。人類通過光合作用利用微生物產(chǎn)生的能量為設(shè)備為產(chǎn)業(yè)續(xù)航，想來，豈不是白白浪費了數(shù)十億年微生物光合作用產(chǎn)生的能量？開墾的鋤頭要揮的更勤些才是。
圖注：池塘浮藻
當然，孔雀開屏還暴露屁股呢，這個項目也不是沒有缺點，比如，除藻類「電池」生產(chǎn)規(guī)模小之外，藻類能量效率極低——同樣場景下，太陽能電池板吸收20%的陽光，植物才吸收到0.25%。這個項目顯然還需要配以解決方案。
一個好消息是，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了能產(chǎn)生更高電流的藻類，再加上成本極低，所以未來5年內(nèi)很有可能實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。
可以想象，在不久的將來，廣袤海域上覆蓋著一片片巨大荷葉形狀的藻類，它們的身份是海上風力發(fā)電場的移動發(fā)電站。
參考鏈接：
https://www.theverge.com/2022/5/16/23074715/algae-computer-chip-photosynthesis-arm-cortext-iot-biophotovoltaics
https://www.newscientist.com/article/2319584-computer-powered-by-colony-of-blue-green-algae-has-run-for-six-months/?utm_source=rakuten&utm_medium=affiliate&utm_campaign=2116208:Skimlinks.com&utm_content=10&ranMID=47192&ranEAID=TnL5HPStwNw&ranSiteID=TnL5HPStwNw-teKaGR8RIkr5gEOMQx841A
https://kknews.cc/science/e85z3py.html
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