Buitinės nuotekos apšvies mūsų namus? Jaunieji lietuvių mokslininkai kuria revoliucingą technologiją

To įrodymas įvyko rugsėjo 22 d., kai komanda dalyvavo prestižiniame gyvybės mokslų renginyje „Life Sciences Baltics 2023“ ir laimėjo 1-ąją vietą startuolių konkurse „Startup Pitch Battle“. Tarptautinei komisijai papasakoję, kaip biokuro celės mūsų atliekas paverstų visiems prieinama elektra, FTMC doktorantai gavo 125 tūkst. eurų apdovanojimą savo sumanymui įgyvendinti.

Ši technologija žada sukelti tikrą perversmą nuotekų valymo sistemose – ir net pakeisti šilumines elektrines! Pažvelkim į tai iš arčiau.

Elektros gausime... nuleidę tualeto vandenį?

Žodžio „šūdas“ įprastai nevartojame, kai bandome kostiumuotus rimtus žmones įtikinti, kad mūsų verslo idėja yra gera. Tačiau viskam būna išimčių.

„Yra dalykas, kurį visi darome bent kartą į dieną – priklauso, kaip pasiseka. Mes kakojame“, – ant scenos savo pristatymą pradėjo FTMC doktorantė Pamela. Ir pateikė iškalbingus skaičius:

„Kiekvieną dieną Europos gyventojai kanalizacijos vamzdžiais nuleidžia 66 tūkstančių tonų kakučio, kurį būtų galima paversti 1,1 milijardo kilovatvalandžių! O tai prilygtų 110 milijonų litrų dyzelino arba 131 milijonų kilogramų anglies sąnaudų.“

„Bet čia buvo tik ledkalnio viršūnė. Mes neparodėm, kiek medžiagos ateitų iš fermų ir kitų vietų. Bet jau ir taip ši statistika įspūdingai skamba“, – sako K. Kižys.

#hitEnergy tikslas – nuotekas paversti į visiems prieinamą, švarią ir tvarią elektros energiją. Tam reikia „įdarbinti“ mieles, kurios valgytų mūsų atliekose esantį cukrų ir dėl to gamintų elektronus. Šitaip grybeliai dar ir vandenį valytų.

Todėl šiuo metu Kasparo komanda kuria ir tobulina bioceles, kurios padidina mielių aktyvumą. Šie prietaisai mažesni už pirštą, tačiau ambicijos – labai plačios.

„Miestai naudoja nuotekų valymo įrenginius, kaip ir vis daugiau privačių namų. Kad tie įrenginiai veiktų, reikalinga elektra. O jeigu mes įstatysime savo aparatus – nuotekų valymo įrenginys ne tik nebenaudos elektros, bet dar net ir pats ją gamins! Kodėl gi ne?

Iškelkim utopinį klausimą – kodėl ateityje kanalizacijos vamzdynuose neįdiegus keleto mūsų elektrodų? Miestas šviestų non-stop. Technologijos pritaikymas prasidėtų miestuose, fermose, o vėliau, pamatytume, visame pasaulyje“, – svarsto idėjos autorius.

Chemikas neatmeta galimybės ir kitokiam biocelių panaudojimui: „Įsivaizduokime pagamintą specialų kubą, kurį išsinuomojam ir nuvažiuojam į gamtą. Pasiimame indą arba iškasame duobę, pridedame cukraus, įdedame ten kubą – ir jau turime rozetę gamtoje.“

O suvis geriausia būtų, jei ši technologija nukeliautų už Žemės ribų: „Visiems kosminiams įrenginiams reikia elektros. Jeigu yra žmonių, visada bus ir atliekų. O iš jų galime gaminti elektrą – Tarptautinėje kosminėje stotyje, Mėnulyje, Marse... Visur, kur tik veda vaizduotė.“

Kol kas #hitEnergy projektas yra pasiekęs vadinamąjį TLR 3 lygį. TLR (angl. Technology Readiness Levels) yra technologinės parengties lygiai, nusakantys, kokiame etape šiuo metu yra vystoma technologija. TLR 1 yra pradinė idėja, o aukščiausias – TLR 9 – lygis reiškia, kad produktas yra visiškai išbandytas, sukurtas ir parengtas pardavimui.

Pasak mokslininko, 125 tūkst. eurų prizas padės šoktelti į TLR 5: bus galima sukurti rimtą biocelių prototipą ir technologiją išbandyti nebe laboratorijoje, o realiomis sąlygomis. „Tai yra pirmoji investicija, reikės įdėti dar labai daug darbo. Bet matome, kad iki šiol viskas vyksta labai gerai. Tad ir pradėjom karksėti: duokit pinigų“, – juokiasi pašnekovas.

Elektrochemija su kvapu

„Tikrai nori, kad parodyčiau, kas viduje? Žinok, čia gali būti tokia smarvė, kokios gyvenime nesi užuodęs“, – FTMC Elektrocheminės medžiagotyros skyriaus laboratorijoje paskutinįkart įspėja Kasparas. Tai aišku, kad noriu. Tik dėl visa ko užsitraukiu megztinį ant nosies.

Mokslininkas atidaro balto plastmasinio kibiro dangtį, viduje matosi tamsi masė. Tačiau jokio kvapo nejaučiu. „Vadinasi, gerai veikia traukos spinta“, – konstatuoja chemikas, turėdamas omenyje laboratorinį baldą-įrenginį, kuris tartum gartraukis virtuvėje įsiurbia nuodingus ar tiesiog dvokiančius garus. Šioje spintoje ir padėti kibirai su nuotekomis. Jų K. Kižys šiek tiek įpila į atskirą indą, įmerkia bioceles ir stebi rezultatus.

Kokia tai technologija ir kaip ji veikia? Tyrėjas paaiškina keletą esminių dalykų.

Visose biologinėse atliekose (taigi, ir nuotekose su mūsų išmatomis) pilna įvairių cukrų – pavyzdžiui, sacharozės, gliukozės ar celiuliozės. O juos labai mėgsta mažyčiai grybeliai – mielės. FTMC komanda šiuo metu naudoja alaus mieles, nes jos lengvai prieinamos ir gan pigios:

„Jos valgo cukrus ir gamina tam tikras medžiagas, vyksta biologiniai procesai. Kad juos paspartintume, mes mieles įdedame į bioceles ir naudojame tam tikrą cheminę medžiagą, kuri praplečia mielių sienelių, membranų, poras – tuomet mielės intensyviau paima gliukozę ir „išmeta į lauką“ kitas medžiagas. Šitaip mielės generuoja elektronus, kurie sukuria elektros srovę, ir turime akivaizdų įtampos pokytį, kurį rodo multimetras.

Jeigu nieko nevyktų, prietaisas rodytų nuo 0 iki 10 milivatų (mW) galią. Kai iš pradžių atlikom biocelių tyrimus gliukozės tirpale, gavome 60 mW kvadratiniam metrui rezultatą. O kai gliukozę pakeitėm nuotekomis, užfiksavom 180 mW kvadratiniam metrui. Taigi, trigubai daugiau elektros! Tai rodo, kad mūsų mielės tikrai valgo cukrus, esančius nuotekose, ir cheminę energiją verčia į elektros energiją.“

Kaip atrodo biocelė? Tai yra „sumuštinis“, sudarytas iš kelių komponentų. Pirmiausia, paimamas kelių centimetrų ilgio cilindro formos elektrodas, pagamintas iš metalo lydinio, grafito ar kitos medžiagos.

Elektrodais čia rūpinasi trečiasis #hitEnergy komandos narys dokt. Romualdas Petkevičius, pavyzdžiui, 3D spausdintuvu sukūrė metalo lydinio elektrodus, kurie sudaryti iš grotelių. Pasak K. Kižio, kitų tokių pasaulyje nerasi.

Taigi, turime elektrodą. Kas toliau? Jis uždengiamas (izoliuojamas) silikoniniu vamzdeliu, „plikas“ lieka tik elektrodo viršus. Ant jo vyks didžioji veiksmo dalis. „Ant paviršiaus uždedame tam tikro chemikalo, tuomet dar ant viršaus – drėgnų mielių ir galiausiai apvelkam membrana, kad mielės niekur nepabėgtų“, – pasakoja chemikas. 

Kitas etapas – šitą „sumuštinį“ apvynioti tampriu plastiku, kuris tvirtai užsandarina medžiagas. Taip ir sukuriama biocelė – ji visiškai izoliuota išskyrus veiklųjį viršų (dabartinėmis sąlygomis tai yra 7 kvadratiniai milimetrai).

Tokia biocelė apverčiama „žemyn galva“ ir įmerkiama į skystį. Kad elektra gamintųsi, reikia ir antro tokios paties elektrodo – tik bent dešimt kartų didesnio ir „pliko“, neapklijuoto. Prisiminkime chemijos pamokas apie anodą ir katodą: šiuo atveju biocelė yra anodas, iš kurios juda mielių gaminami elektronai, o didesnis elektrodas tampa katodu, kuris elektronus surenka ir „pristato“ prijungtam elektros prietaisui – multimetrui, lemputei ar pan. Kodėl katodas turi būti dešimtkart didesnis? Kad būtų lengviau surinkti elektronus.

„Dabartinės mūsų biocelės plotas – 4 tūkstančiai kvadratinių milimetrų. Galutinis tikslas – pasiekti kvadratinius metrus! Tik tam reikia daug įdirbio ir naujų eksperimentų“, – teigia K. Kižys. 

Idėja, nepalikusi abejingųjų

Kad įdirbis gali būti sėkmingas, patikėjo „Life Sciences Baltics“ komisija, kuri startuolių konkurse FTMC mokslininkų komandai skyrė 1-ąją vietą. Tiesa, iš pradžių nebuvo viskas paprasta: tam, kad patektų į pagrindinę startuolių kovą „Startup Pitch Battle“, dieną prieš tai Kasparas su Pamela turėjo peržengti pirmąjį etapą, kuriame varžėsi septynios komandos.

Kai FTMC doktorantė pateikė #hitEnergy pristatymą, komisijos nariai pasakė: „Žiūrėkit, mes jus išrinkome laimėtojais, nes jūsų produktas nuostabus. Tačiau jo pristatymas šūdinas.“ Skamba dviprasmiškai šiame kontekste, bet jaunieji tyrėjai suprato, kad reikia pakeisti idėjos pateikimo formą. Laimei, tam padėjo renginio organizatoriai. „Mums davė mentorių. Girdėjau gandus, kad geriausią Europoje“, – šypsosi K. Kižys.

Tai buvo M. Wallace Greenas, startuolių mentorius ir investuotojas. Jis patarė savo idėją pristatyti kuo paprasčiau, nes ji turi tokį didžiulį potencialą, kad laimėti konkursą bus vieni juokai.

„Tą patį vakarą susėdom padirbėti Mažvydo bibliotekoje, Pamela pasisiūlė pristatymą pabaigti namuose. Pasirodo, ji sėdėjo per naktį, miegojo gal tris valandas“, – prisimena chemikas. Jis kolegę sutiko ryte renginyje, repetuojančią savo kalbą ir delne laikančią telefoną. Kasparas į kitą ranką įdavė plastmasinį butelį – bus vietoje mikrofono. Šitaip pasitreniravusi, mergina be problemų nuskynė pergalę tikroje kovoje.

K. Kižys teigia, kad jo komandos technologija šiuo metu yra pasiekusi didžiausią efektyvumą pasaulyje palyginus su kitais panašiais eksperimentais – tačiau tam, kad tai pradėtų veikti realiomis sąlygomis, laukia daug atkaklaus darbo. Tiek daug, kad Kasparo komanda pamažu pildosi:

„Dabar intensyviai ieškojau padavano, nes nebeturiu laiko sėdėti laboratorijoje, ypač, kai straipsnių terminai spaudžia... #hitEnergy idėja yra ir mano daktaro disertacijos tema. Esu surinkęs tiek daug informacijos, kad jos užteks keletui straipsnių. Tai labai plati tema.“

Simonas Bendžius, Fizinių ir technologijų centras (FTMC)