Pin sinh học - Điện năng từ vi khuẩn

Với cường độ là 1,5 miliampe (mA)/cm2 nhà khoa học đã phá kỷ lục về cường độ dòng điện sinh ra, sao cho dòng điện đó duy trì được lâu với những máy siêu nhỏ. Đó là trường hợp vi khuẩn Escherichia Coli, những tế bào siêu nhỏ hình que, rất phổ biến trong môi trường và nhất là trong ruột non của chúng ta. 1,5 miliAmpe là một con số đáng kinh ngạc, so với những kết quả thử nghiệm trước đó, chỉ loanh quanh trong khoảng vài microAmpe/m2. Đó là một trong những bước quan trọng nhất để hiện thực hóa một kế hoạch, mới nghe thì có vẻ điên rồ, là sản xuất một loại pin chưa từng có trong lịch sử khoa học: pin - sinh học.

Bộ pin “sống” giá rẻ

Hãy tưởng tượng: một máy điện thoại di động được nạp lại điện bằng một ống chứa đầy nước bẩn. Pin vi khuẩn, đại khái là như vậy. Một bộ pin sống (theo nghĩa đen, nghĩa là có hấp thụ, có bài tiết), giá rẻ và chứa đầy vi trùng, những sinh vật mà khi được nạp chất hữu cơ, có thể sinh ra một dòng điện mới. So sánh với pin chất đốt cổ điển, đắt và chỉ có khả năng tiêu thụ hydro hay methanol, thì giải pháp pin sinh học xem ra rất hấp dẫn.

Sự biến hóa xảy ra ngay bên trong những vi khuẩn. Khi chúng tiêu hóa chất hữu cơ, chúng “bình phục” lại với một khối lượng electron dư thừa mà chúng phải thải ra trước khi những electron đó làm suy yếu bộ máy sinh hóa của chúng. Vào lúc bình thường, những vi khuẩn đó thải ra những electron với sự hỗ trợ của oxy trong không khí. Thực vậy, oxy kết hợp với electron và proton (H+), sinh ra bởi sự phân hóa chất hữu cơ, tạo thành nước (H2O), một phân tử vô hại đối với vi trùng.

Chiến thuật của các nhà nghiên cứu là tách phản ứng tạo thành nước ra xa khỏi vi khuẩn, và như vậy bắt buộc những electron di chuyển qua một mạch điện trước khi chúng bị “trung hòa hóa”. Vì thế pin gồm hai ngăn. Ngăn thứ nhất được giữ cho không có không khí, chứa đầy vi khuẩn tách các electron ra. Ngăn thứ hai, tiếp xúc với oxy, nơi xảy ra phản ứng tạo thành nước. Chính sự chuyển dịch của electron qua hai chỗ chứa đó tạo ra dòng điện. Tất nhiên đó không phải là dòng điện gì đặc biệt. Và kỷ lục 1,5 miliAmpe/cm2, thu được điện áp 0,2 Ohm do Uwe - Schroder tạo ra hãy còn khiêm tốn so với sức tiêu thụ của một máy tính xách tay chẳng hạn, một máy tính tiết kiệm, cỡ 5A và 15V. Một phép tính đơn giản cũng cho thấy phải kết hợp 3.000 cái pin sinh học tối tân nhất mới làm máy vi tính hoạt động được. Phải còn có những thành công vượt bậc hơn nữa về mặt cường độ dòng điện, mới có thể nói đến pin sinh học.

Trong pin sinh học, cường độ của dòng điện là lượng electron đi qua một đoạn của mạch trong cùng một lúc. Nó phụ thuộc vào số lần mà vi khuẩn phát ra electron, vào hiệu quả của sự chuyển hóa của chúng và cuối cùng, là diện tích của những điện cực gom vào các electron đó. Nhưng chủ yếu nhất, là phụ thuộc vào vi khuẩn có thiện chí cho nhiều hay ít electron của chúng. Từ 30 năm nay, những nhà nghiên cứu đã vấp phải một trở ngại: electron tích trữ trong vi khuẩn rất khó tiếp cận. Để thu được vài micro-Ampe, các nhà khoa học phải phát minh ra những kỹ thuật tinh vi để “bắt cóc” electron. Họ làm như thế bằng cách thêm vào pin những “nhân viên” hóa học thâm nhập vào những vi trùng và bẫy những electron của chúng, trước khi lại rút ra để đem electron lại cho một điện cực kim loại. Đó là một cách để cung cấp electron cho mạch điện. Cách làm như vậy cũng được nhưng người ta chỉ thu hồi được từ 30 đến 60% electron có mặt. Hơn nữa, những hợp chất đó độc, làm ô nhiễm dòng môi trường. Nói tóm lại, đối với “điện vi sinh học”, đó là sự trục trặc của dòng điện.

Để khắc phục tình trạng đó, Uwe Schroder đã thay thế tác nhân hóa học trung gian bằng một tấm mỏng chất polyaniline (polime dẫn), trên bề mặt của anod (cực dương). Polyaniline thu hút electron của vi khuẩn đi ngang qua đầu mút. Mặt khác, ông đã đi đến chỗ loại bỏ monoxit carbon (CO), là chất khi tích tụ cô lập điện cực: những xung đột điện rất ngắn oxy hóa nó và bắt nó tách ra. Với cách làm mới này, pin sinh học có thể có bước tiến trong tương lai.

Hơn nữa, có một tìm tòi khác đem lại nhiều hy vọng. Một nhà khoa học Mỹ đã phát hiện ra những vi khuẩn hầu như sinh ra để làm cho pin sinh học hoạt động. Trái với Escherichia colido Uwe Schroder sử dụng, những vi khuẩn này - geobacter hay shewanella có chứa enzym bề mặt chuyên phân phối electron về phía những ion kim loại. Tất cả đều xuất phát từ tìm tòi của Clare Raimers, thuộc Trung tâm khoa học về Biển của ĐH Oregon, và của Leonard Tender thuộc Phòng thí nghiệm của Trung tâm nghiên cứu Hàng hải ở Washington. Hai ông đã nghiên cứu môi trường biển từ năm 1999 để tìm cách biến đổi những trầm tích trong biển thành trung tâm điện năng. Những lớp nằm ở đáy sâu thiếu oxy, và những lớp trên bề mặt thừa oxy giống như hai ngăn của một pin sinh học. Chỉ còn có việc bắt nó sinh ra dòng điện bằng cách cắm vào đó những điện cực: khoảng vài phần mười Watt điện đã nhận được.

Năm 2001, nhà vi sinh vật Daniel Bond ở ĐH Massachusetts đã phát hiện ra những lượng vi khuẩn Geobacter sulfurreducens. Dự đoán ngạc nhiên là các vi khuẩn đó đã được biết đến, đặc biệt về khả năng trao đổi electron với những ion sắt Fe3+, nhưng các nhà nghiên cứu không biết rằng chúng cũng có thể chia sẻ những electron trực tiếp với một điện cực dẫn; hay là lợi dụng tính hấp thụ electron đó, vi khuẩn G. sulfurreducens cư trú ở đó luôn. Rõ ràng là thiên nhiên tự làm lấy tất cả: thâu gom electron và nhường lại trực tiếp cho điện cực.

Tại Viện môi trường Penn State (Mỹ) trên tấm nệm rơm của một căn nhà rất nóng, sừng sững hai lọ bằng thủy tinh. Có một đường hầm nhỏ nối hai lọ đó lại. Ở bên trong là một thứ nước đục ngầu, và những điện cực cắm trên một mạng dây cáp điện, rồi những cái cặp cá sấu... “Đó là một cái pin sinh học”, Hong Liu, một nhà nghiên cứu trong lĩnh vực pin sinh học mô tả các pin trong tương lai như vậy. Không có một chi tiết nào mang tính kỹ thuật cao, mà chỉ toàn là những thứ quá thô sơ của nền khoa học thời nguyên thủy. Các điện cực làm bằng chì của bút chì và môi trường nghiên cứu là nước đã dùng rồi, từ cống chảy ra. Nói tóm lại, con đường tạo ra pin sinh học dùng nguyên liệu là nước thải, vừa rẻ, vừa bảo vệ môi trường, tuy còn khó khăn, nhưng đầy triển vọng...

Nguồn: LA Times, Khoa học phổ thông, số 44, 21/12/2005