Uno dei grandi problemi con i sistemi energetici sostenibili è come immagazzinare l'elettricità generata dal vento, solare e onde. Attualmente, nessuna tecnologia esistente fornisce stoccaggio e recupero di energia su larga scala per l'energia sostenibile a un basso costo finanziario e ambientale.

I microbi elettroattivi ingegnerizzati potrebbero essere parte della soluzione; questi microbi sono in grado di prendere in prestito un elettrone dall'elettricità solare o eolica e utilizzare l'energia per rompere le molecole di anidride carbonica dall'aria. I microbi possono quindi prendere gli atomi di carbonio per produrre biocarburanti, come isobutanolo o propanolo, che potrebbe essere bruciato in un generatore o aggiunto alla benzina, Per esempio.

"Riteniamo che la biologia svolga un ruolo significativo nella creazione di un'infrastruttura energetica sostenibile, " disse Buz Barstow, assistente professore di ingegneria biologica e ambientale alla Cornell University. "Alcuni ruoli saranno ruoli di supporto e alcuni saranno ruoli principali, e stiamo cercando di trovare tutti quei posti in cui la biologia può funzionare".

Barstow è l'autore senior di "Electrical Energy Storage With Engineered Biological Systems, " pubblicato in Giornale di ingegneria biologica .

L'aggiunta di elementi di ingegneria elettrica (sintetici o non biologici) potrebbe rendere questo approccio ancora più produttivo ed efficiente dei soli microbi. Allo stesso tempo, avere molte opzioni crea anche troppe scelte ingegneristiche. Lo studio fornisce informazioni per determinare il miglior design in base alle esigenze.

"Stiamo suggerendo un nuovo approccio in cui uniamo l'ingegneria elettrochimica biologica e non biologica per creare un nuovo metodo per immagazzinare energia, " disse Farshid Salimijazi, uno studente laureato nel laboratorio di Barstow e il primo autore del documento.

La fotosintesi naturale offre già un esempio per immagazzinare energia solare su vasta scala, e trasformandolo in biocarburanti in un circuito di carbonio chiuso. Cattura circa sei volte più energia solare in un anno di quanta tutta la civiltà usa nello stesso tempo. Ma, la fotosintesi è davvero inefficiente nel raccogliere la luce solare, assorbendo meno dell'uno per cento dell'energia che colpisce le cellule fotosintetizzanti.

I microbi elettroattivi ci consentono di sostituire la raccolta di luce biologica con il fotovoltaico. Questi microbi possono assorbire elettricità nel loro metabolismo e utilizzare questa energia per convertire la CO2 in biocarburanti. L'approccio mostra molte promesse per la produzione di biocarburanti con maggiori efficienze.

I microbi elettroattivi consentono anche l'uso di altri tipi di elettricità rinnovabile, non solo elettricità solare, per alimentare queste conversioni. Anche, alcune specie di microbi ingegnerizzati possono creare bioplastiche che potrebbero essere sepolte, rimuovendo così l'anidride carbonica (un gas serra) dall'aria e sequestrandola nel terreno. I batteri potrebbero essere progettati per invertire il processo, riconvertendo una bioplastica o un biocarburante in elettricità. Queste interazioni possono avvenire tutte a temperatura e pressione ambiente, che è importante per l'efficienza.

Gli autori sottolineano che i metodi non biologici per l'utilizzo dell'elettricità per la fissazione del carbonio (assimilazione del carbonio dalla CO2 in composti organici, come i biocarburanti) stanno iniziando a eguagliare e persino superare le capacità dei microbi. Però, le tecnologie elettrochimiche non sono adatte a creare i tipi di molecole complesse necessarie per biocarburanti e polimeri. I microbi elettroattivi ingegnerizzati potrebbero essere progettati per convertire queste semplici molecole in molecole molto più complicate.

Le combinazioni di microbi ingegnerizzati e sistemi elettrochimici potrebbero superare di gran lunga l'efficienza della fotosintesi. Per queste ragioni, un design che sposa i due sistemi offre la soluzione più promettente per l'accumulo di energia, secondo gli autori.

"Dai calcoli che abbiamo fatto, pensiamo che sia sicuramente possibile, " ha detto Salimijazi.

Il documento include dati sulle prestazioni su progetti biologici ed elettrochimici per la fissazione del carbonio. L'attuale studio è "la prima volta che qualcuno ha raccolto in un unico posto tutti i dati necessari per fare un confronto tra mele e mele dell'efficienza di tutte queste diverse modalità di fissazione del carbonio, " ha detto Barst.

Nel futuro, the researchers plan to use the data they have assembled to test out all possible combinations of electrochemical and biological components, and find the best combinations out of so many choices.

Erika Parra, a principal at MultiPHY Laboratories, Inc., is a co-author of the paper.