劍橋大學用藍藻發電還供計算機運行了一年

“綠色計算”走進現實，劍橋大學通過藻類的光合作用為一台計算機提供電力。我們知道，物聯網設備需要可持續的、可負擔的、分散的電能來提供動力來源。雖然單一物聯網設備的功耗很溫和，範圍只是從微瓦到毫瓦，但如今物聯網設備的數量已經達到數十億，預計到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。

但是電池主要依賴於昂貴和不可持續的材料（如稀土元素），而且電量最終會耗盡。

而現有的能源收割機（例如太陽能、溫度、振動）雖然持續時間較長，但對環境不友好，比如光伏生產中會使用到有害材料。

那麼，有沒有一種既便攜，又便宜耐用，而且還能保護環境的能源收集系統呢？

劍橋大學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，它已經為一台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，為什麼這張圖看起來那麼大…）

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，還要電池幹嘛？?

日夜不休，超強續航六個月以上

這個能源收割機是一種生物光伏能源收集系統，它出自劍橋大學生物化學系的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，裡面放置了一種名為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生氧氣。

圖註：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家中的窗台上，通過藻類進行光合作用產生微小的電流，為微處理器ARM Cortex-M0+連續供電。

圖註：Arm Cortex-M0+ 微處理器

ARM Cotex-M0+芯片來自芯片製造商Arm，他們與劍橋大學的研究團隊合作，為其提供了測試設備和用於數據收集的雲接口。這款芯片並非專門為研究而生，而是物聯網設備常用的微處理器，樹莓派Pico的CPU就是它。

圖註：給ARM芯片供電的藍藻發電裝置

研究人員原本以為，這個系統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，而且在實驗結束后，藍藻還在繼續發電，一直運行到現在。

那麼這個裝置是怎麼產生能源的呢？

神奇的“鍊金術士”

理論上有兩種可能的來源：要麼是藍藻自身產生電子，從而產生電流；要麼是它們創造了條件，使容器中的鋁陽極在化學反應中被腐蝕，從而產生電子和電流。而在這項實驗中，並沒有對陽極進行任何明顯的降解，所以研究人員認為，藍藻產生了大部分電流。

近年來，海藻已經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“鍊金術士”，有着發展清潔技術的強大潛力。

而該實驗所用的PCC 6803是一種單細胞淡水藍細菌的菌株，屬於集胞藻（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，產生微弱的電流。

所以只要在水槽中放入電極，就可以將產生的電流作為電池來使用。而物聯網設備的處理器只需要非常微弱的功率就可以驅動，所以使用藻類來為物聯網設備供電是很合適的。

在實驗期間，這台由藻類驅動的微型計算機執行了一些基本運算，以45分鐘為周期，計算連續整數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。計算機自己測量設備輸出的電流，這些數據存儲在雲端，供研究人員分析。

圖註：研究團隊成員 Christopher Howe（左）和 Paolo Bombelli（右），圖片來自劍橋大學

雖然這個裝置產生的電流比較微弱，但已經足夠為一些小型電子設備充電了。不過要想為一台普通的台式計算機供電還是遠遠不夠的，一台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，如果一台計算機每小時消耗 100 瓦的功率，那麼運行這台電腦大約需要333,000,000 塊藻類“電池”。所以，將來還需要進一步擴大規模，來為需要耗費更多電力的設備供電。

目前藻類“電池”規模是小了點，但Christopher Howe對這個裝置的續航能力尤為自豪，“這個光合作用裝置不會像電池那樣很快耗盡。”與傳統的電池或太陽能相比，水藻對環境依賴性小，不斷地使用光作為能量來源提供持續電力。

這種藻類並不需要餵養，它們可以在光合作用時“生產”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，這個設備可以通過“吃”白天儲存的電繼續供能。藻類分為自養型和異養型，最為常見易得的就是光能自養型。也就是說有“光”啥都好說。

藻類，遠遠不止是池塘里的浮渣

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用於的物聯網設備。物聯網有很大的電能缺口，它需要像藻類生物發電這樣的持續供能系統，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，固碳減排是實現全球碳中和的關鍵一環。像用藻類植物光合作用賦能某台機器設備，就屬於“綠色計算”範疇。

“綠色計算”拆開理解，綠色簡單來說就是低碳和無害，即環境友好、資源節約，可高效循環利用。計算可理解為包含軟硬件結合的終端設備、服務器和相關係統等。

海藻是一種常見的海洋生物，在三十五億年前就已經出現了，四捨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於“生物光伏”（biophotovoltaics, BPV），是一條生物學路徑利用太陽能的方式，聽起來好像產業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生的能量為設備為產業續航，想來，豈不是白白浪費了數十億年微生物光合作用產生的能量？開墾的鋤頭要揮的更勤些才是。