3Dプリントされた菌類燃料電池は生分解性電力ソリューションを提供する

南極クマの紹介:リサイクルが困難または分解できない部品を含む廃棄電子製品の数が急増し、2030 年までに世界の電子廃棄物は 7,470 万トンに達すると推定されています。したがって、環境に優しく、無毒で再生可能な材料を使用したグリーン電子製品の開発が極めて急務となっています。

△3Dプリントされたグリッド電極には、バッテリーの陽極室で使用される菌類が含まれています
2025年1月10日、アンタークティックベアは、Empaの研究者が遠隔地の農業や研究のセンサーに電力を供給できる3Dプリント菌類バッテリーの開発に成功したことを知りました。この技術の最大のメリットは、環境に優しいという特性にあります。従来のバッテリーとは異なり、このバッテリーは無毒であるだけでなく、使用後は完全に生分解されるため、環境への長期的な影響を大幅に軽減します。

△この研究はACS Sustainable Chemistry & Engineering誌に「3Dプリントセルロースベースの真菌電池」というタイトルで掲載されました（ポータル）
Empaのセルロースおよび木材材料研究所の科学者が主導したこの研究は3年かかり、自己分解性の菌類電池の開発に成功した。生体細胞が生成する電気の量は限られていますが、温度センサーなどの小型デバイスに数日間電力を供給するには十分です。このアプリケーションは、作物の成長や環境の変化を監視するための安定したエネルギー源を提供できるため、農業や環境の研究に特に適しています。

△ 3Dプリントセルロース系真菌電池の概念図
プリンター内のカビ

厳密に言えば、このバッテリーは従来の意味でのバッテリーではなく、いわゆる微生物燃料電池です。すべての生物と同様に、微生物は栄養素をエネルギーに変換します。微生物燃料電池はこの代謝プロセスを利用し、エネルギーの一部を電気として捕捉します。これまで、このような電池は主にバクテリアによって動力を得てきました。

「初めて、2種類の菌類を組み合わせることで、完全に機能する燃料電池を作ることに成功しました」と、Empaの研究員であるCarolina Reyes氏は言う。2種類の菌類の代謝プロセスは互いに補完し合う。陽極側では、酵母が代謝中に電子を放出し、陰極側では白色腐朽菌が成長して、電子を捕らえて電池から取り出すのに役立つ特殊な酵素を生成する。

△3Dプリントされた導電性インク内の細胞は電気化学的に活性です。これらの菌類はバッテリーに「埋め込まれる」のではなく、最初からバッテリーの不可欠な部分です。菌類バッテリーのコンポーネントは、3D プリント技術を使用して製造されます。これにより、研究者は微生物が栄養素に容易にアクセスできるように電極を構築することができました。これを実現するために、印刷インクに菌細胞を混ぜました。

「菌類がよく生育できる材料を見つけるだけでも大変です」とセルロース・木材材料研究所所長のグスタフ・ニストロム氏は言う。「しかし、インクは細胞を殺さずに簡単に押し出せるものでなければならず、もちろん導電性と生分解性も必要でした。」

研究者らはバイオ3Dプリンティング技術の経験を活かして、適切なセルロースベースのインクをうまく製造することができました。菌類細胞はセルロースを栄養分として利用することもできるため、使用後にバッテリーを分解するのに役立ちます。しかし、彼らが好む栄養源は、バッテリーに添加される単純な糖類です。「菌類バッテリーは乾燥した状態で保管し、現場で水と栄養分を加えるだけで活性化できる」とレイエス氏は説明した。

真菌は材料科学の分野ではまだ十分に研究されていませんが、生体材料におけるその可能性は徐々に発見されつつあります。 Empa の研究者が直面している課題の 1 つは、生きた材料を使用することです。これには、微生物学、材料科学、電気工学を含む学際的な連携が必要です。菌類バッテリーを完全に特性評価するために、レイエス氏は電気化学技術を学ぶだけでなく、それを 3D 印刷インクに適用する必要がありました。

チームは現在、菌類バッテリーの性能と耐久性の向上と、発電の可能性のある他の菌類種の探索に取り組んでいます。

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