Ocean działa trochę jak technologiczny sabotażysta. Tłumi fale radiowe, niszczy sprzęt solą, dokłada ciśnienie, prądy, porastanie organizmami i całą skomplikowaną logistykę wymagającą angażowania nawet wielkich statków, co sumarycznie z prostego serwisu potrafi zrobić kosztowną operację. Właśnie dlatego patrzę na nowy projekt Michigan Technological University i DARPA z większym zainteresowaniem, bo za tym pomysłem stoi bowiem coś więcej niż kolejna laboratoryjna ciekawostka.
DARPA BLUE, czyli ocean jako powolna ładowarka
DARPA w programie BLUE, czyli BioLogical Undersea Energy, chce rozwijać źródła zasilania, które przechwytują i przetwarzają mikroskopijne formy morskiej biomasy (rozpuszczoną materię organiczną, fitoplankton, zooplankton, składniki odżywcze, a nawet inne drobne substancje obecne w wodzie) na energię elektryczną. Cel? Stworzyć zasilanie dla czujników oceanicznych, które dziś najczęściej pracują na klasycznych akumulatorach i wymagają kosztownego wydobywania oraz obsługi.
Czytaj też: Rekord pobity. Teraz tak kręcą fotowoltaiczną korbą, że aż strach zapisywać kolejne liczby
Michigan Tech rozwija w tym programie mikrobiologiczne ogniwa paliwowe, czyli MFC. W grę wchodzi więc system, w którym bakterie w ramach swojego metabolizmu przesuwają elektrony, a konstrukcja ogniwa pozwala przechwycić ten proces między anodą i katodą. Nie jest to oczywiście magia, nie jest to perpetuum mobile i nie jest to “darmowy prąd z niczego”. Jest to raczej sprytne wykorzystanie tego, co w oceanie i tak już istnieje. Organiczna materia rozpuszczona w wodzie staje się bowiem paliwem, mikroby wykonują swoją biologiczną pracę, a inżynierowie próbują zebrać z tego użyteczny prąd.
Nie mówimy o zasilaniu miasta, farmy serwerów ani nawet dużego pojazdu podwodnego. Mówimy o czujnikach. O sprzęcie, który ma mierzyć warunki środowiskowe, śledzić migracje organizmów, nasłuchiwać akustyki pod kątem obrony morskiej i zwyczajnie trwać tam, gdzie akumulator jest dziś ograniczeniem większym niż sama elektronika. Podobny problem długiej autonomii widać przy podwodnym dronie Manta Ray i uzbrojonych dronach podwodnych Copperhead, choć tutaj skala jest inna, bo zamiast dużej platformy bojowej mamy rozproszoną sieć czujników, które powinny zostać pod wodą jak najdłużej.
Mikroby robią prąd, ale ocean nie ułatwia im pracy
Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe są znane od dawna, ale zwykle najlepiej czują się w środowiskach bogatych w materię organiczną. Dlatego też oczyszczalnia ścieków jest dla nich znacznie wdzięczniejszym miejscem niż ot, ocean. Tam składników odżywczych jest mniej, a tlenu więcej, co stanowi zresztą kłopot, bo tlen potrafi zaburzać procesy, które są potrzebne do generowania energii. Naukowcy próbują obejść ten problem z użyciem granulowanego węgla aktywnego umieszczonego w rurowych ogniwach. Materiał koncentruje materię organiczną i daje mikrobom powierzchnię do tworzenia biofilmów. W takim biofilmie mogą powstawać lokalne warunki beztlenowe i to nawet jeśli sama woda morska jest dobrze natleniona.
Jednocześnie sam fakt, że coś generuje prąd pod wodą przez 30 dni, nie oznacza jeszcze, że mamy gotowy akumulator dla wszystkich oceanicznych instalacji przyszłości. Naukowcy otwarcie mówią o małej ilości energii możliwej do pozyskania z takiego układu i trudno się temu dziwić, bo mikroby same potrzebują sporej części energii do wzrostu, więc inżynierowie mogą przechwycić tylko nadwyżkę. Pomysł ma jednak sens, bo dotychczasowe prototypy pracowały przez 30 dni w Zatoce Chesapeake i nadal produkowały energię, będąc w pełni zanurzone. Późniejsze próby w Zatoce Galveston również przyniosły obiecujący wynik, bo trzy z czterech jednostek miały generować prąd podczas podwodnych testów. Teraz zespół przygotowuje większe wdrożenie z 10 mikrobiologicznymi ogniwami paliwowymi w Zatoce Chesapeake, żeby sprawdzić dłuższą pracę i ocenić, czy taka technologia mogłaby kiedyś wspierać operacje trwające rok.
Czytaj też: Lekkie nie znaczy gorsze. Te panele słoneczne przypominają mi o czymś ważnym
Warto przy tym zauważyć, że rozwiązania korzystające z energii fal mają naturalne ograniczenie – muszą działać blisko powierzchni. Tutaj jednak chodzi o system zanurzony, który nie potrzebuje kontaktu z falami ani rutynowej obsługi człowieka. W świecie, w którym podwodne sensory mają pilnować akustyki, klimatu, biologii i infrastruktury, taka różnica jest zasadnicza. Oceaniczne źródła energii już wcześniej pojawiały się przy podwodnym magazynowaniu energii, ale projekt BLUE idzie w inną stronę: nie magazynuje energii z zewnątrz, tylko próbuje ją powoli zbierać z otoczenia.
Ten projekt jest wojskowy, ale nie tylko wojskowy
DARPA nie finansuje takich programów z czystej miłości do ekologii. Długowieczne czujniki oceaniczne mają znaczenie dla marynarki wojennej, nadzoru akustycznego, obserwacji ruchu podwodnego i utrzymywania świadomości sytuacyjnej na ogromnych obszarach. Dla mnie to najbardziej oczywisty kontekst tej technologii, bo im dłużej czujnik działa bez wymiany akumulatora, tym pojawia się mniej okien logistycznych, mniej statków serwisowych, mniej ekspozycji i mniej okazji do wykrycia całej sieci.
Czytaj też: Nie wybucha, nie płonie i nie potrzebuje litu! Tak może wyglądać przyszłość magazynów energii
Jednocześnie nie sprowadzałbym tego wyłącznie do wojska, bo dokładnie te same cechy są atrakcyjne dla nauki. Ocean jest pełen procesów, które mierzymy fragmentarycznie, sezonowo albo punktowo, bo długie serie pomiarowe są kosztowne. Jeżeli czujniki ekologiczne, akustyczne i klimatyczne mogłyby pracować dłużej bez wyciągania, dostalibyśmy znacznie gęstszy obraz środowiska morskiego. Podobny kierunek myślenia widać przy tematach takich jak ciemny tlen na dnie oceanu, fotosynteza w ciemnej głębi oceanu czy mikroby żyjące przy kominach hydrotermalnych. Im dłużej patrzymy na ocean, tym częściej okazuje się, że biologia i energia są tam splecione znacznie mocniej, niż mogłoby się wydawać.
Źródła: DARPA, Michigan Technological University
