Vědci z Monashovy univerzity v Melbourne zjistili, že enzym z běžné půdní bakterie, který konzumuje vodík, je schopen vytvářet elektrický proud de facto pouze ze vzduchu. O objevu, který může významně ovlivnit způsob výroby elektrické energie, informuje The Independent.
Oživeno 12. října 2024: Od března 2023 nedošlo k zásadním objevům týkajícím se enzymu Huc, který vytváří elektřinu z atmosférického vodíku. Další výzkumy potvrzují jeho potenciál pro budoucí využití, zejména v malých zařízeních, jako jsou senzory nebo nositelná elektronika. Enzym je stabilní i za extrémních teplotních podmínek a může být dlouhodobě skladován, což ho činí slibným kandidátem na udržitelný zdroj energie.
Přestože je jeho využití v rozsáhlých aplikacích, jako jsou elektrárny, zatím nerealizovatelné kvůli nízké produkci energie, vědci pracují na způsobech, jak tuto technologii škálovat a zlepšit její účinnost pro širší využití. Další rozvoj technologie však závisí na získání finanční podpory, která může urychlit vývoj a umožnit praktické aplikace této metody.
Na počátku tohoto objevu stála práce profesora Chrise Greeninga, který před několika lety zjistil, že některé bakterie žijící v prostředí chudém na živiny využívají jako zdroj energie malé množství vodíku z atmosféry.
„Již nějakou dobu víme, že bakterie mohou využívat stopové množství vodíku obsaženého ve vzduchu jako zdroj energie, který jim pomáhá růst a přežít, a to i v antarktické půdě, sopečných kráterech a hluboko v oceánu,“ uvedl Chris Greening z Institutu pro objevy v biomedicíně Monashovy univerzity. „Ale až dosud jsme nevěděli, jak to dělají.“
Zázračný enzym
Objev byl podrobně popsán ve článku „Strukturální základy bakteriální extrakce energie z atmosférického vodíku“, který byl ve středu 8. března publikován v odborném časopise Nature. „Různé aerobní bakterie využívají atmosférický vodík jako zdroj energie pro svůj růst a přežití. Tento celosvětově významný proces reguluje složení atmosféry, zvyšuje biodiverzitu půdy a podporuje primární produkci v extrémních prostředích.“ stojí v úvodu abstraktu.
Vědci izolovali a extrahovali z půdní bakterie Mycobacterium smegmatis (je příbuzná bakteriím, které způsobují tuberkulózu a lepru) enzym Huc. Je zajímavý tím, že dokáže proměňovat plynný vodík na elektrický proud, který může napájet malý obvod. Enzym se ukázal být „překvapivě stabilní“ a pozoruhodně účinný při vytváření „energie ze vzduchu“.
Jednou ze zásadních vlastností tohoto enzymu je, že umí oxidovat atmosférický vodík i při velmi nízkých koncentracích „Na rozdíl od všech ostatních známých enzymů a chemických katalyzátorů spotřebovává vodík dokonce i pod úrovní atmosférických hodnot – pouhých 0,00005 % vzduchu, který dýcháme.“ říká hlavní autor studie Rhys Grinter.
Optikou mikroskopu
Badatelé zkoumali atomární strukturu enzymu pomocí kryoelektronové mikroskopie, což je moderní technika, která svým autorům v roce 2017 vynesla Nobelovu cenu za chemii. Vysíláním elektronů na zmrazený vzorek enzymu zmapovali jeho atomovou strukturu a elektrické dráhy, které používá k přenosu elektronů tak, aby vytvořily proud.
Zjistili, že Huc má ve svém středu strukturu, tzv. aktivní místo, které obsahuje nabité ionty niklu a železa. Jakmile molekuly vodíku (tvořené dvěma protony a dvěma elektrony) vstoupí do aktivního místa, jsou uvězněny mezi ionty niklu a železa a následně zbaveny svých elektronů. Enzym pak tyto elektrony využívá k vytváření proudu.
„Elektrony jsou absorbovány Hucem (konkrétně iontem niklu) a přeneseny na jeho povrch (molekulárním drátem tvořeným shluky iontů železa a síry),“ vysvětluje Grinter. „Pokud imobilizujeme Huc na elektrodu, mohou elektrony z povrchu enzymu vstoupit do elektrického obvodu a generovat proud.“
Svatý grál na obzoru
Další experimenty odhalily, že vyčištěný Huc je možné dlouhodobě skladovat při teplotách pod bodem mrazu nebo až do 80 stupňů Celsia nad nulou, aniž by ztratil svou schopnost vyrábět elektřinu. Mezi první aplikace enzymu, který lze označit jako „přírodní baterii“, mohou patřit malá zařízení, k jejichž pohonu se dnes používají solární články.
Díky tomuto objevu se o další krůček k realitě přiblížil svatý grál zařízení bez baterií „napájených vzduchem“. Nyní bude nutné zjistit, jak tuto „přírodní baterii“ využít k napájení konkrétních přístrojů a spotřebičů, jako jsou například lékařské senzory, nositelné monitory fyzické aktivity nebo hodinky. Využití by mohla najít také v biometrických senzorech, monitorech životního prostředí, kalkulačkách a jednoduchých počítačích.
Sám Grinter pochybuje, že se tento enzym někdy stane životaschopným způsobem výroby většího množství elektřiny. „Pokud mluvíme o něčem takovém, jako je elektrárna – v měřítku města nebo obce – myslím, že existují jiná řešení, která jsou ekonomicky životaschopnější.“ konstatoval skepticky.
Naděje pro budoucnost
Jedním z největších potenciálních přínosů tohoto objevu může být odklon od baterií, které spotřebovávají vzácné zdroje včetně prvků vzácných zemin. Bakterie, které produkují enzymy, jako je Huc, jsou běžné a lze je pěstovat ve velkém množství, což znamená snadný přístup k udržitelnému zdroji.
Rozhodujícím faktorem pro to, jak rychle se tato technologie dostane na trh, jsou v tuto chvíli finance. „Záleží na množství zdrojů, které dokážeme na tento výzkum získat,“ řekl Grinter. Zatím se podařilo získat investice od australské federální vlády, ale pro rychlý vývoj bude nutné najít zapáleného investora.
„Jakmile uděláme trochu víc práce, určitě budeme hledat investora nebo firmu, která by měla o tuto technologii zájem,“ řekl Grinter. „Pokud se nám to podaří, řekl bych, že do deseti let bychom pravděpodobně mohli dosáhnout nějakého úspěchu.“ Sám si prý rád představuje, že by tuto technologii mohl využít pro své nositelné produkty například od Applu.
Zdroje: monash.edu, isaaa.org.