Sienisähkösolut luotu 3D-tulostuksen avustuksella

Paristot ovat teknologisesti kehittyneen nykyhetkemme ja tulevaisuutemme vetovoima. Loppujen lopuksi ne virransyöttävät kaiken kaukosäätimistä, kameroista, puhelimista, kannettavista tietokoneista ja sähköajoneuvoista laitteisiin, robotiikkaan ja energian varastointiin.

Paristojen monipuolisten käyttötapojen valossa sen markkina-arvo on kasvanut 134,62 miljardiin dollariin vuonna 2024, ja sen odotetaan laajentuvan edelleen 16,4 %:n vuotuisella yhteenlasketulla kasvuvauhdilla (CAGR) vuoteen 2030 mennessä.

Kun paristojen kysyntä kasvaa tasaisesti, huomio on nyt kiinnittynyt teknologian parantamiseen, jotta saavutetaan parempi energiateho, parempi turvallisuus, pidempi käyttöikä ja lyhyempi latausaika.

Paristojen suorituskyvyn parantamisen lisäksi yhä suurempi huomio kohdistuu niiden ympäristövaikutusten vähentämiseen. Tämä johtuu kasvavasta sähköjätteestä, jonka arvioidaan nousevan 74,7 miljoonaan tonniin tämän vuosikymmenen loppuun mennessä, koska elektroniikkaa hävitetään komponenteilla, jotka eivät hajoa helposti tai ole helposti kierrätettäviä.

Samanaikaisesti uusiutumattomat materiaalit hupenevat nopeasti, mikä luo kiireellisen tarpeen uusille kestävälle energialähteille, joita voidaan käsitellä tehokkaasti ja joilla on minimaalinen vaikutus ympäristöön.

Vastaamaan nopeaa tarvetta kehittää vihreää elektroniikkaa, joka käyttää komponentteissaan myrkyttömiä, ympäristöystävällisempiä ja uusiutuvia materiaaleja, Empa-tutkijat ovat luoneet biohajoavan sienipariston, joka lataamisen sijaan tarvitsee ruokintaa. Tämä elävä, 3D-tulostettu paristo voisi toimittaa virtaa maataloudessa tai tutkimuksessa käytettäville antureille syrjäisillä alueilla. Kun tämä sieniparisto on suorittanut tehtävänsä, se hajottaa itsensä sisältäpäin.

Nämä bio-paristot tai mikrobiset polttokennot (MFC) hyödyntävät mikro-organismien redoksimetaboliaa energian tuottamiseksi.

Näissä polttokennotyypeissä käytetyt mikro-organismit metaboloivat orgaanista ainetta, kuten jätevesiä tai sokereita, ja puuttuvassa aineessa ne hyödyntävät valoa ja fotosynteesiä. MFC koostuu anodista ja katodista, jotka on joko erotettu protoninvaihtokalvolla (PEM) tai jätetty avoimiksi yhden kompartementin laitteessa.

Etämittaus- ja ympäristönseurantalaitteiden lisäksi MFC:t kiinnostavat sovelluksia, kuten kannettavaa elektroniikkaa ja biolääketieteellisiä diagnostiikkalaitteita. Ne ovat erityisen hyödyllisiä itsenäisissä sovelluksissa, jotka eivät tarvitse pääenergiaverkkoa.

Bakteeri-, levä- ja arkeeenipohjaiset MFC:t ovat joitakin MFC-tyyppejä. Sienipohjaisten MFC:iden osalta on tutkittu hiiva- ja valkoinen rotasieni -tyyppejä, mutta niitä ei ole tähän mennessä yhdistetty.

Sienet: Kasvava kiinnostuksen kohde

Tämän kolmen vuoden tutkimusprojektin keskiössä ovat sienet, jotka ovat eukaryoottisia organismeja, eli niiden solut sisältävät kalvoon sidottuja organelleja ja selvästi määritellyt tumat. Sienet eivät kuulu kasvikuntaan ja ne erottuvat kaikista muista elollisista organismeista.

Sienet, erityisesti sienet, ovat helpoimmin tunnistettavia sieniä. Muita tyyppejä ovat hiivat, ruostesienet, homeet ja homeet. Sienet ovat itse asiassa kaikkialla: maaperässä, ilmassa, järvissä, merissä, kasveissa, eläimissä, ruoassa ja ihmisen kehossa. Yhdessä bakteerien kanssa ne auttavat hajottamaan orgaanista ainesta ja vapauttavat happea, hiiltä, fosforia ja typpeä maaperään ja ilmakehään.

Arjessa niitä käytetään yleisesti leivän, viinin, oluen ja tiettyjen juustojen valmistukseen sekä proteiinipitoisten ruokien tuottamiseen. Sienet vaikuttavat merkittävästi tautien hallintaan, mutta samalla ne ovat vastuussa taudinaiheuttajista.

Sienitutkimus on auttanut meitä saamaan perustietoa biologiasta ja jatkaa kiinnostuksen kohteena solubiologian, molekyylibiologian, geenitekniikan ja muiden perusbiologian alojen tutkimuksessa.

Lääketieteessä taikasienet herättävät erityistä kiinnostusta, koska ne sisältävät psilosybiinia, luonnollisesti esiintyvän psykoaktiivisen alkaloidin, jolla on hallusinogeenisia vaikutuksia. Kuten jaoimme äskettäisessä artikkelissamme, tutkimuksen räjähdys tutkii psilosybiinin käyttöä mielenterveys- ja psykologisten häiriöiden hoitoon.

Sienten kyky muuntaa orgaaninen aine hyödyllisiksi tuotteiksi on lisännyt kiinnostusta sienibiotekniikkaan, jossa ne voivat edistää siirtymistä bio-pohjaiseen kiertotalouteen.

Tarjoamalla ratkaisuja ruoan turvaamiseen, vakauttamiseen ja parantamiseen kasvavalle väestölle samalla kun vähennetään kasvihuonekaasupäästöjä, sienibiotekniikalla on potentiaalia tehdä merkittävä panos ilmastonmuutoksen hillitsemiseen.

Vaikka sienet ovat saaneet paljon huomiota eri aloilla, samaa ei voida sanoa materiaalitieteen alalla, jossa ne ovat edelleen alitutkimettuja ja tietysti alihyödyntäviä, mikä saattaa lopulta muuttua, kun tutkijat käyttävät sieniä sähkön tuotantoon.

Viimeisin tutkimus osoittaa toimivan sienipariston kehittämisen, joka vaikka ei tuota paljon sähköä, pystyy tuottamaan riittävästi virtaa lämpötilasensorin käyttöön useiden päivien ajan. Tällaisia antureita käytetään ympäristötutkimuksessa tai maatalousalalla.

Toisin kuin perinteiset paristot, tämä sieniparisto on täysin myrkyttömät ja biohajoavat, mikä tekee siitä ympäristöystävällisen vaihtoehdon.

BioParisto: Vihreä elektroniikka on täällä

Sveitsin liittovaltion materiaalitieteen ja -tekniikan laboratoriot (Empa) kehittämä orgaaniseen perustuva paristo, joka on sovellusorientoitu tutkimuslaitos, on mahdollistanut sienimetabolian ja siihen liittyvän energian tuotannon.

Lähde: ACS

Tässä elävä solu on mikrobinen polttokenno. Mikro-organismit, kuten kaikki elävät olennot, muuntavat ravinteet energiaksi, ja mikrobiset polttokennot (MFC) hyödyntävät tätä metaboliaa energian tuottamiseen ja sen jälkeen kaappaavat osan siitä sähköksi.

Mikrobisia polttokennoja on tähän asti enimmäkseen virrannut bakteerit, kunnes Empa-tutkijat yhdistivät ensimmäistä kertaa kaksi sienilajia, joiden metabolia toimii erittäin hyvin yhdessä, “luodakseen toimivan polttokennon”.

Tutkijat käyttivät anodi-puolella hiivasientä, jonka metabolia vapauttaa elektroneja, ja katodi-puolella valkoista rotasientä, joka tuottaa erityisen entsyymin, jonka avulla elektronit voidaan kaapata ja johtaa ulos solusta.

Tutkijat sisällyttivät sienet paristoon solun olennaisena osana alusta alkaen. He käyttivät 3D-tulostusta sienipariston komponenttien valmistamiseen, mikä antoi heille täyden geometrisen vapauden tulostaa mielivaltaisen muotoisia laitteita, jotka voidaan saumattomasti integroida muihin elektronisiin komponentteihin.

Näin he pystyivät muotoilemaan elektrodit erityisellä tavalla, jonka avulla mikro-organismit voivat päästä ravinteisiin mahdollisimman helposti.

Toteuttamiseksi se tehtiin sekoittamalla sienisoluja tulostusmusteen sekaan. Tämä tarkoittaa haasteen voittamista, jossa ei ainoastaan löydetä materiaalia, jossa sienet voivat hyvin kasvaa, vaan myös musteen puristamista ilman solujen tappamista.

“Tietenkin haluamme sen olevan sähköisesti johtava ja biohajoava.”

– Gustav Nyström, Solu- ja puumateriaalilaboratorion johtaja

Saadakseen ne sähköisesti johtaviksi tiimi lisäsi mustaa hiiltä ja grafiittilastuja musteisiin. 

Kokemuksensa 3D-tulostuksesta pehmeillä bio-pohjaisilla materiaaleilla tiimi pystyi tuottamaan selluloosapohjaisen musteen (hydrogeelinen sienimuste), joka soveltui tehtävään. Tutkimus totesi, että selluloosin hyödyntäminen sienielektrodien 3D-tulostuksessa on uusi tapa ohjata sienten metabolista aktiivisuutta mahdolliseen käyttöön elektrokemiallisissa laitteissa.

Selluloosa on runsas, edullinen, uusiutuva ja biohajoava polymeeri, joka on peräisin levistä, bakteereista, puusta ja tunikaateista. Sitä on onnistuneesti käytetty erilaisten orgaanisiin perustuvien elektroniikkalaitteiden valmistuksessa. 

Sienisolut voivat jopa käyttää selluloosaa ravintona, mikä auttaa pariston hajoamista käytön jälkeen. Niiden pääasiallinen ravinnelähde oli kuitenkin yksinkertaiset sokerit, jotka lisätään myöhemmin paristokennoon.

“Sieniparistot voidaan säilyttää kuiva-tilassa ja aktivoida paikalla yksinkertaisesti lisäämällä vettä ja ravinteita.”

– Empa-tutkija Carolina Reyes, koulutettu mikrobiologi

Tutkimuksen mukaan nämä bio-paristot voivat tuottaa 300–600 mV useiden päivien ajan. Yhdistämällä neljä paristoa rinnakkain, pieni anturi voidaan virrata 65 tunnin ajan.

Tiimi oli aiemmissa töissään kehittänyt materiaaleja, musteita ja laitteita uudelle vihreän elektroniikan haaraan, mukaan lukien näytöt, anturit, paristot ja superkondensaattorit. Tämän tutkimuksen myötä he laajensivat mahdollisuuksia, joita olivat saavuttaneet aiemmissa kokeissaan, joissa he tarjosivat laitteita, jotka voivat varastoida sähköenergiaa ja tuottaa energiaa ympäristöystävällisessä järjestelmässä. 

Seuraavassa vaiheessa tutkijat pyrkivät tekemään sieniparistosta voimakkaamman ja kestävän sekä varmistamaan, että laite on täysin 3D-tulostettavissa. He myös tutkivat muita sienilajeja, jotka sopivat paremmin sähkön toimittamiseen ja laitteensa valmiiksi käytettäväksi käytännön sovelluksissa kentällä.

Katsotaanpa nyt joitakin keskeisiä toimijoita, jotka toimivat paristo- ja 3D-tulostusmarkkinoilla. 

1. Proto Labs, Inc.

Proto Labs (PRLB ) on kattavien digitaalisten valmistuspalveluiden tarjoaja, joka erikoistuu kehittyneeseen valmistukseen ja 3D-tulostuspalveluihin räätälöityjen osien rakentamiseksi asiakkailleen.

Proto Labs aloitti tänä vuonna laajentamalla täyspalvelutuotantoon, jota yritys kutsuu “luonnolliseksi kehitykseksi”. Tämä johtaa parempaan laadunvalvontaan ja parempiin hinnoitteluvaihtoehtoihin keskittyen teollisuussertifikaatteihin, jolloin yritys voi palvella asiakkaita alusta loppuun. Tämän laajentumisen katalysaattorina toimi Eric Utley, Proto Labsin 3D-tulostussovellusten insinööripäällikkö, joka kertoi, että 3D Hubs -yrityskauppa vuonna 2021 kasvatti heidän ratkaisukantaa.

Kun kestävyys on noussut kiireelliseksi globaaliksi huolenaiheeksi ja kaikki kuluttajista, yrityksistä ja sääntelijistä pyrkivät vähentämään ympäristöjalanjälkeään valitsemalla kierrätysmateriaaleja, Proto Labs on myös ottanut käyttöön kierrätyssisältöä sisältäviä muovimateriaaleja CNC-tarjontaansa. Tämä mahdollistaa käyttäjien välttää alkuperäismateriaalien käyttöä prototyyppien valmistuksessa ilman lisäkustannuksia.

Markkina-arvoltaan 937,75 miljoonaa dollaria Proto Labsin osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 38,26 $, mikä on 2,12 %:n lasku kuluvan vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on 0,94 ja P/E (TTM) 40,69.

Vuoden 2024 kolmannelle neljännekselle yhtiö raportoi liikevaihdoksi 125,6 miljoonaa dollaria, mikä on 3,9 %:n lasku verrattuna edellisen vuoden saman neljänneksen ennätykselliseen liikevaihtoon 130,7 miljoonaa dollaria. Neljänneksen nettotulos oli 7,2 miljoonaa dollaria. Samaan aikaan operatiivinen kassavirta oli korkein vuodesta 2020 lähtien ennen kuin Proto Labs hankki 3D Hubsin.

Kolmannen neljänneksen non-GAAP osakekohtainen tulos oli 0,47 $, kun taas kuluvan vuoden alun (YTD) säädetty EPS on raportoitu nousseen yli 10 %:lla vuosi vuodelta tasaisen liikevaihdon aikana. Yhteensä Protolabs palveli 22 511 asiakaskontaktia. Käteisen ja sijoitusten saldo 30. syyskuuta 2024 mennessä oli 117,6 miljoonaa dollaria.

2. BYD Company Ltd. (BYDDF: OTCPK)

Kiina-pohjainen BYD on ensisijaisesti mukana kuljetuslaitteiden valmistuksessa ja myynnissä, mutta se on myös mukana ladattavien paristojen, fotovoltaitaikatuotteiden ja päivittäiseen käyttöön tarkoitettujen elektronisten laitteiden valmistuksessa.

Markkina-arvoltaan 105,57 miljardia dollaria BYD:n osakkeet käyvät tällä hetkellä hintaan 33,33 $, mikä on 1,99 %:n lasku kuluvan vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on 1,66 ja P/E (TTM) 20,08, kun taas osinkotuotto on 1,31 %.

Viimeisimpien julkistettujen tietojen mukaan BYD sijoittuu toiseksi 23,19 %:n osuudella Kiinan sähköparistokapasiteetista, joka saavutti 17,49 GWh. Samaan aikaan maan kokonaisparistoinstallaatio oli 75,4 GWh, mikä on 57,3 %:n vuotuinen kasvu. Vuoden 2024 koko vuoden osalta BYD sijoittui toiseksi 24,74 %:n osuudella, kun CATL säilytti paikkansa 45,08 %:n osuudella.

Ladattavien paristojen johtavana valmistajana BYD tarjoaa litiumioni-, NiMH- ja NCM-paristoja, joilla on laaja käyttöalue, mukaan lukien kuluttajaelektroniikka, uusiutuvat ajoneuvot ja energian varastointi. Keskeinen seikka on, että yhtiö omistaa koko toimitusketjun, mikä mahdollistaa paremman laadun ja kustannusten hallinnan.

BYD on nyt valmis lanseeraamaan Blade-pariston uuden sukupolven sähköajoneuvoille tänä vuonna, jota käytetään yhtiön tulevissa ajoneuvoissa. Blade-pariston ensimmäinen sukupolvi esiteltiin BYD:n toimesta jo vuonna 2020, ja sen nykyistä sukupolvea käytetään BYD:n sähköajoneuvojen sekä muiden autonvalmistajien, kuten Teslan (TSLA ), Toyotan (TM ), Fordin (F ), Kian ja Hyundain, virittämiseen.

Perinteisiin litiumioni-paristoihin verrattuna nämä litiumioni-fosfori (LFP) -paristot ovat kustannustehokkaampia ja ovat auttaneet BYD:tä esittelemään edullisia sähköajoneuvomalleja, jotka ovat vauhdittaneet sen kasvua. Blade-pariston seuraava sukupolvi tulee olemaan entistä kompaktimpi, tehokkaampi, turvallisempi ja tarjoamaan pidemmän toimintasäteen.

Kun tarkastellaan yhtiön autoliiketoimintaa, BYS myi viime vuonna ennätysmäärän sähkö- ja hybridiautoja maailmanlaajuisesti, kun taas sen suurin kilpailija, Tesla, myi 4,3 miljoonaa. Kiinan eniten myyty automerkki myi itse asiassa 1,76 miljoonaa puhdasta sähköautoa vuonna 2024, vaikka se kohtaa kovaa kilpailua kotimarkkinoilla, mikä on saanut vauhtia satojen miljardien dollarien hallituksen tukien kautta viimeisen vuosikymmenen aikana.

Yrityksen liikevaihdon osalta vuoden 2024 kolmannelle neljännekselle kiinalainen sähköajoneuvojen valmistaja, joka lopetti bensiinimoottoriajoneuvojen tuotannon vuonna 2022, ilmoitti 11,5 %:n nettotuloksen kasvun, joka nousi 1,63 miljardiin dollariin, kun taas liikevaihto kasvoi 24 % vuodesta toiseen, saavuttaen 28,24 miljardia dollaria.

Yhteenveto

Paristot, tärkeä osa nykypäivän elektroniikkaa sekä sähköajoneuvoja, älykkäitä matkapuhelinverkkoja ja syvän avaruuden tehtäviä, ohjaavat teknologista vallankumousta. Kuitenkin nopeasti kasvava sähköjäte ja vähenevät uusiutumattomat materiaalit edellyttävät, että kehitämme uusiutuvista luonnonvaroista peräisin olevia tuotteita, mikä on noussut keskeiseksi alueeksi, kuten tänään näimme tutkijoiden kääntyessä orgaanisten materiaalien, kuten sienten, puoleen paristojen rakentamisessa. 

Sienet, jotka ovat pitkään rikastuttaneet elämää maapallolla ja muokanneet tulevaisuuttamme, ovat saaneet kasvavan kiinnostuksen aallon kiitos niiden roolin kierrätyksessä ja materiaalien muuntamisessa. Ne tarjoavat ratkaisuja vihreän siirtymän toteuttamiseen bio-pohjaiseen kiertotalouteen, esittelemällä uusia konsepteja ihmisen, kasvien ja eläinten terveyden turvaamiseksi. 

Vaikka sieniä on tutkittu ja hyödynnetty maataloudessa, lääketieteessä ja bioteknologiassa, viimeisin tutkimus merkitsee suurta edistysaskelta materiaalitieteen ja mikrobielektrokemian alalla. Se tekee sen käyttämällä ympäristöystävällisiä materiaaleja rakenteessaan ja luomalla mahdollisuuksia 3D-tulostaa erilaisia selluloosapohjaisia sienielektrodeja käytettäväksi mikrobisissa polttokennossa.

Tällaiset läpimurrot vastaavat kiireellisiin ympäristöhaasteisiin ja avaavat uusia mahdollisuuksia bio-pohjaisten, korkean suorituskyvyn energian varastointijärjestelmien suunnitteluun, auttaen meitä lähestymään todellisesti kestävää ja kiertotaloutta.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista paristoyrityksistä.