Rinaldo Cervellati
Un microprocessore è un componente fondamentale dei computer, in cui la logica e il controllo dell’elaborazione dei dati sono inclusi in un singolo circuito integrato o in un loro piccolo numero. Il microprocessore contiene i circuiti aritmetici, logici e di controllo necessari per eseguire le funzioni dell’unità di elaborazione centrale (CPU) di un computer. Il circuito integrato è in grado di interpretare ed eseguire istruzioni di programma ed eseguire operazioni aritmetiche. Il microprocessore è costituito da un circuito integrato digitale multiuso, che accetta dati binari come input, li elabora secondo le istruzioni contenute nella sua memoria e fornisce risultati (anche in forma binaria) come output. I microprocessori contengono sia la logica combinatoria che la logica digitale sequenziale e operano su numeri e simboli rappresentati nel sistema numerico binario.
Secondo una nuova ricerca, i microprocessori possono essere alimentati utilizzando microrganismi fotosintetici alla luce ambientale senza la necessità di una fonte di alimentazione esterna.
Il gruppo internazionale di ricercatori inglesi, italiani e norvegesi, coordinati da Christopher Howe dell’Università di Cambridge (UK), ha introdotto i cianobatteri Synechocystis sp. PCC6803, in una batteria alluminio-aria per creare un dispositivo biofotovoltaico. Il dispositivo ha dimensioni simili a una batteria AA, è realizzato con materiali durevoli e molto riciclabili e non richiede una fonte di luce dedicata per funzionare. È il primo sistema bioelettrochimico segnalato in grado di alimentare continuamente un microprocessore al di fuori delle condizioni controllate di laboratorio [1].
Figura 1. Il sistema testato su un davanzale a Cambridge (UK). Credit: Christopher Howe (UC)
Commenta Paolo Bombelli, angloitaliano, uno dei ricercatori dell’Università di Cambridge: “Abbiamo deciso che non volevamo far funzionare il sistema con una fonte di energia dedicata. Avevamo bisogno di dimostrare che possiamo operare in condizioni di luce ambientale e siamo stati in grado di farlo”.
Il gruppo ha testato la stabilità e la biocompatibilità del substrato di alluminio e ha dimostrato che il sistema può alimentare continuamente un processore Arm Cortex-M0+[2] per sei mesi in diverse condizioni ambientali, entro l’intervallo di temperatura 13,8–30,7°C. Il processore ha eseguito 1,23 ×1011 cicli di 45 minuti di calcolo seguiti da un periodo di standby di 15 minuti. Alimentato interamente dalla cella biofotovoltaica, il processore assorbe una corrente media di 1,4μA con una tensione di 0,72V. Il sistema ha smesso di funzionare solo quando è stato utilizzato un impacco di ghiaccio per abbassare la temperatura a 5°C.
Il gruppo ha lasciato intenzionalmente aperto il sistema biofotovoltaico. Una volta stabilito il sistema, le specie Halomonas e Pseudomonas erano cresciute insieme alla specie iniziale Synechocystis, un battèrio di acqua dolce. Spiega Bombelli: “Abbiamo deliberatamente mantenuto il sistema in condizioni non sterili. Consentendo ai contaminanti di entrare nel sistema, permettiamo l’evoluzione di un bioma. Siamo stati molto lieti di scoprire questo complesso e intricato mix di colture che lavorano insieme, che è uno degli elementi chiave del buon funzionamento del sistema. Queste colture miste danno un bioma stabile e duraturo, ma aiutano anche il processo di trasporto degli elettroni”.
I ricercatori ipotizzano che il sistema biofotovoltaico operi sia in modalità elettrochimica che bioelettrochimica. Nella modalità elettrochimica, i microrganismi forniscono un ambiente favorevole per l’ossidazione elettrochimica dell’alluminio, che emette elettroni. Nella modalità bioelettrochimica, gli elettroni vengono trasferiti direttamente dai batteri, ad esempio dalla membrana cellulare esterna, e trasportati all’alluminio (fig. 2).
Figura 2. Meccanismi proposti per il trasporto degli elettroni all’interno del mix idrossido di alluminio e matrice extracellulare. Credit: Paolo Bombelli (UC)
Marin Sawa, esperta di bioelettronica basata sulla fotosintesi (Università di Newcastle, UK), afferma: “Il dispositivo biofotovoltaico riportato mostra la natura imprevedibile della biologia ma anche il suo lato adattabile e resiliente. L’alimentazione continua senza reintegrare il bioanodo per un massimo di sei mesi è notevole. Sembra essere molto più robusto e adattabile di quanto immaginassi per generare bioelettricità”.
Le applicazioni del sistema potrebbero includere l’alimentazione di piccoli dispositivi elettronici. Esiste un potenziale significativo per l’utilizzo della tecnologia in località remote in cui l’elettricità di rete non è un’opzione e dove l’utilizzo di batterie che richiedono la sostituzione regolare è scomodo.
Kevin Redding, un esperto di conversione di energia fotosintetica dell’Arizona State University (USA), è colpito dalla stabilità del sistema: “Questo studio serve come prova incoraggiante del concetto che una cellula microbica può utilizzare la fotosintesi per la produzione di energia a lungo termine sufficiente per alimentare una CPU. Ciò potrebbe convincere l’industria a prendere questa tecnologia abbastanza seriamente da investire il tempo e le risorse necessarie per trasformarla in una tecnologia utile. L’abbinamento di tali dispositivi di alimentazione con piccole CPU potrebbe spronare i produttori di chip a sviluppare nuovi chip efficienti dal punto di vista energetico progettati per funzionare con le celle biofotovotaiche in futuro”.
Nota. Questo post è stato scritto il 12 maggio. La notizia è stata poi riportata dal quotidiano La Repubblica il 28 maggio nella pagina Green and Blue: https://www.repubblica.it/green-and-blue/2022/05/27/news/batteria_alghe_energia-351167578/?ref=RHVS-VS-I271182744-P3-S3-T1&__vfz=medium%3Dsharebar
Bibliografia
[1] P. Bombelli et al., Powering a microprocessor by photosynthesis., Energy Environ. Sci., 2022, DOI: 10.1039/d2ee00233g
[1] Tradotto e adattato da: Ellis Wilde, Photosynthesis used to power a microprocessor for over six months, Chemistry World, 12 May 2022
[2] ARM Cortex è una famiglia di microprocessori della società High Tech ARM Holdings. Anche ricercatori della Arm Ltd. di Cambridge hanno partecipato alla ricerca.
La Chimica e la Società 