Для работы бактериальных батарей необходимо несколько ключевых компонентов: катод, анод и мембрана, в которой ионный обмен создает электрический ток. Анод служит «домом» для бактерий, и чем больше его площадь, тем больше энергии могут вырабатывать микробы в процессе своей жизнедеятельности.

Именно анод стал главным препятствием для исследователей на пути к созданию эффективной биобатареи. Существующие решения не позволяли добиться нужной структуры. Промышленные сетки из нержавеющей стали, хотя и обладали хорошей проводимостью и прочностью, не позволяли контролировать ключевые параметры поверхности — пористость и шероховатость. Это мешало бактериям колонизировать анод и снижало общую производительность устройства. Другие материалы, такие как углерод или полимеры, либо были слишком ненадежными, либо требовали высоких температур при изготовлении, что приводило к гибели бактерий.

Решением стала технология лазерной литьевой обработки порошков (LPBF) — метод 3D-печати, который позволяет создавать металлические конструкции со сложной формой. С его помощью команда напечатала анод с оптимальной пористостью, что увеличило площадь поверхности для роста бактерий. Тем же способом были изготовлены катод и герметичная крышка.

Новые 3D-аноды из нержавеющей стали оказались намного эффективнее традиционных плоских. Двухмерные аналоги не обеспечивают достаточный доступ питательных веществ к бактериям и не позволяют удалять их отходы. Трехмерная структура, напротив, создает благоприятные условия для жизни микробов и, как результат, увеличивает выработку энергии. Все детали при этом легко собираются, как кубики Lego — это упрощает производство и масштабирование.

В ходе экспериментов ученые собрали прототип из шести биобатарей. Он способен вырабатывать около 1 милливатта энергии — этого достаточно, например, чтобы питать небольшой 3,2-дюймовый ЖК-дисплей. Кроме того, компоненты можно использовать повторно: после замены бактерий батарея продолжает работать с прежней эффективностью.

В будущем команда планирует оптимизировать 3D-печать для стандартизации всех компонентов биобатареи и разработать систему управления питанием, которая будет контролировать заряд и разряд, подобно солнечным элементам. Это откроет возможности для создания экологичных и безопасных источников энергии.