積層造形
3Dプリンティングの助けで作られた真菌燃料電池
バッテリーは、私たちの技術的に高度な現在と未来を支える原動力です。結局のところ、リモコン、カメラ、電話、ラップトップ、電気自動車から機器、ロボット、エネルギー貯蔵まで、すべてに電力を供給しています。
バッテリーの多様な使用ケースを考えると、その市場規模は$134.62 billion in 2024と評価され、2030年までに年平均成長率（CAGR）16.4%でさらに拡大すると予測されています。
バッテリーの需要が継続的に増加している中、技術の向上に焦点が当てられ、エネルギー密度の向上、より安全な使用、寿命の延長、充電時間の短縮が求められています。
バッテリーの性能向上に加えて、環境への影響を減らすことにも重点が置かれています。 これは電子廃棄物の増加が原因で、推定されるところでは今十年の終わりまでに74.7メトリックトンに達すると、分解しにくい、またはリサイクルしにくい部品を含む電子機器の廃棄が原因です。
同時に、再生不可能な資源は急速に減少しており、効率的に処理でき、環境への影響が最小限の新しい持続可能なエネルギー源が緊急に求められています。
有害物質を含まず、より環境に優しく、再生可能な素材を部品に使用したグリーンエレクトロニクスの開発に対する急速なニーズに応えるべく、Empaの研究者は、充電の代わりに給餌が必要な生分解性の真菌バッテリーを作成しました。この3Dプリントされたリビングバッテリーは、農業や遠隔地域の研究で使用されるセンサーに電力を供給でき、使用後は内部から自己分解します。
これらのバイオバッテリーまたは微生物燃料電池（MFC）は、微生物の酸化還元代謝を利用してエネルギーを生成します。
この種の燃料電池で使用される微生物は、廃水や糖類などの有機物を代謝し、これらが存在しない場合は光エネルギーと光合成を利用します。MFCはアノードとカソードから構成され、プロトン交換膜（PEM）で分離されるか、単一コンパートメント装置で開放された状態になります。
遠隔センシングや環境モニタリング装置に加えて、MFCはウェアラブルエレクトロニクスや医療診断装置などの用途でも関心を集めています。特に、主電力網へのアクセスが不要な単独運用のアプリケーションに有益です。
バクテリア、藻類、古細菌はMFCのいくつかのタイプです。真菌MFCに関しては、酵母と白色腐朽菌が研究されていますが、これまで組み合わせられたことはありませんでした。
真菌: 関心が高まる分野
この3年間の研究プロジェクトの焦点は真菌であり、真菌は真核生物で、細胞に膜で囲まれた細胞小器官と明確に定義された核を持ちます。真菌は植物界に属さず、他のすべての生物とも区別されます。
キノコは最も認識しやすい真菌です。他のタイプには酵母、サビ菌、カビ、そしてカビ類があります。真菌は実際に至る所に存在します: 土壌、空気、湖、海、植物、動物、食物、そして人体です。バクテリアと共に、有機物を分解し、酸素、炭素、リン、窒素を土壌や大気中に放出するのを助けます。
私たちの日常生活では、パン、ワイン、ビール、特定のチーズ、そして高タンパク質の食品の製造に広く利用されています。真菌は病気の管理にも重要な貢献をしますが、同時に病原性病原体の原因にもなります。
真菌の研究は、生物学の基礎知識の獲得に貢献し、細胞・分子生物学、遺伝子工学、その他の基礎的な生物学分野の研究対象として関心が続いています。
医療分野では、自然に存在する向精神アルカロイドで幻覚作用を持つシロシビンを含むマジックマッシュルームが特に注目されています。私たちが最近の記事で共有したように、シロシビンの精神・心理障害治療への利用を探る研究が急増しています。シロシビンの精神・心理障害治療への利用を探る。
有機物質を有用な製品に変換する真菌の能力は、バイオベースの循環型経済への移行を促進する真菌バイオテクノロジーへの関心を大いに高めています。
増加する人類の人口に対し、食料供給の確保・安定化・向上を提供しつつ温室効果ガス排出を削減することで、真菌バイオテクノロジーは気候変動緩和に大きく貢献する可能性があります。
真菌はさまざまな分野で大きな注目を集めていますが、同様とは言え材料科学の分野では研究が不足し、当然ながら活用も不十分であり、研究者が真菌を用いて電気を生成することで、状況が変わるかもしれません。
最新の研究は機能する真菌バッテリーの開発を示す、真菌バッテリーは大量の電力は生み出さないものの、数日間温度センサーを駆動できるほどの電力を生成します。これらのセンサーは環境研究や農業産業で使用されます。
従来のバッテリーとは異なり、この真菌バッテリーは完全に無毒で生分解性があり、環境に優しい選択肢です。
バイオバッテリー: グリーンエレクトロニクスが登場
スイス連邦材料科学技術研究所（材料科学と技術の応用指向研究機関）からの有機系バッテリーは、真菌の代謝とそれに伴うエネルギー生成を促進しています。
出典: ACS
ここでのリビングセルは微生物燃料電池です。微生物は他の生物と同様に栄養素をエネルギーに変換し、微生物燃料電池（MFC）もこの代謝を利用してエネルギーを生成し、その一部を電気として捕捉します。
これまで微生物燃料電池は主にバクテリアが駆動していましたが、今回初めてEmpaの研究者は代謝が非常に相性の良い「2種類の真菌」を組み合わせ、「機能する燃料電池」を作り出しました。
研究者はアノード側に酵母真菌を使用し、その代謝で電子を放出させ、カソード側には白色腐朽菌が使用され、特殊酵素を生成し、電子捕捉を可能にしそして細胞外へと導きます。
研究者は真菌をバッテリーのセルの不可欠な部分として最初から組み込みました。彼らは3Dプリンティングで製造し、真菌バッテリーの部品を作成し、任意の形状や形態のデバイスを印刷する完全な幾何学的自由度を得ました。他の電子部品とシームレスに統合できます。
この方法により、微生物ができるだけ容易に栄養素にアクセスできるよう、電極を特定の形で構造化することができました。
現在、その方法は真菌細胞を印刷インクに混合することでした。 これは真菌がうまく成長できる材料を見つけるだけでなく、細胞を死滅させずにインクを押し出すという課題を克服することを意味します。
「もちろん、電気伝導性と生分解性を持たせたいです。」
– グスタフ・ニストロム、セルロース・木材材料ラボ長
電子伝導性を持たせるため、チームはインクにカーボンブラックとグラファイトフレークを添加しました。
チームはソフトでバイオベースの材料の3Dプリンティングに豊富な経験があり、タスクに適したセルロースベースのインク（ハイドロゲル真菌インク）を製造できました。研究は、セルロースを用いた真菌電極の3Dプリンティングが、真菌の代謝活動を電気化学デバイスでの潜在的利用へと導く新たな手段であると指摘しています。
セルロースは豊富で低コスト、再生可能かつ生分解性の高分子で、抽出され藻類、バクテリア、木材、そしてウミウシから。実際にさまざまな有機系エレクトロニクスの製造に成功裏に使用されています。
真菌細胞はセルロースを栄養源として利用でき、使用後のバッテリー分解を助けます。ただし、主な栄養源は単純糖で、後でバッテリーセルに添加されます。
「真菌バッテリーは乾燥状態で保存でき、現場で水と栄養素を加えるだけで活性化できます。」
– エンパ研究者 カロリナ・レイエス、訓練された微生物学者
研究によれば、これらのバイオバッテリーは数日間にわたり300〜600 mVを生成できます。4つのバッテリーを並列に接続することで、小型センサーを駆動でき、65時間動作します。
チームは以前の研究で、ディスプレイ、センサー、バッテリー、スーパーキャパシタなど、グリーンエレクトロニクスの新分野向けに材料、インク、デバイスを開発してきました。本研究により、これまでの実験で実現した電エネルギーの蓄積と環境に安全なシステムでのエネルギー生成が可能なデバイスの可能性をさらに拡大しました。
次の段階では、研究者は真菌バッテリーをより高出力で長寿命にし、デバイスを完全に3Dプリント可能にすることを目指します。また、電力供給の目的により適した他の真菌種を検討し、現場での実用的な応用に備えたデバイスの実装を進めます。
それでは、バッテリーと3Dプリンティング市場で活躍する主要プレーヤーを見てみましょう。
1. Proto Labs, Inc. (PRLB )
包括的なデジタル製造サービスを提供するProto Labsは、先進的な製造および3Dプリンティングサービスを専門とし、顧客向けにカスタム部品を構築します。
Proto Labsは今年、フルサービス生産へと拡大し、これを「自然な進化」と呼んでいます。これにより、品質管理と価格オプションが向上し、業界認証に焦点を当て、顧客を開始から完了までサポートできるようになります。この拡大のきっかけとなったのは、2021年の3D Hubs買収で、ソリューション基盤が拡大したことです。
持続可能性が世界的な緊急課題となり、消費者、企業、規制当局がリサイクル素材の採用で環境フットプリント削減に取り組む中、Proto LabsはCNC提供にリサイクル素材で作られたプラスチック材料も導入しました。これにより、ユーザーは追加コストなしでプロトタイピングにバージン素材を使用しない選択が可能になります。
(PRLB
)
時価総額937.75百万ドルのProto Labsの株式は現在38.26ドルで取引されており、年初来で2.12%下落しています。EPS（TTM）は0.94、P/E（TTM）は40.69です。
2024年第3四半期の売上高は1億2560万ドルで、前年同四半期の1億3070万ドルの記録的売上高と比べて3.9%減少しました。純利益は720万ドルでした。一方、営業キャッシュフローは2020年以来最高で、3D Hubsの買収前の水準です。
第3四半期の非GAAP一株当たり利益は0.47ドルで、年初来調整済みEPSは売上高横ばいにもかかわらず10%以上増加したと報告されています。総計で、Proto Labsは22,511件の顧客取引に対応しました。2024年9月30日時点の現金および投資残高は1億1760万ドルです。
2. BYD Company Ltd. (BYDDF: OTCPK)
中国拠点のBYDは主に輸送機器の製造・販売に従事していますが、充電式バッテリー、光伏製品、日常使用の電子機器の製造にも関わっています。
時価総額1055.7億ドルのBYD株式は現在33.33ドルで取引され、年初来で1.99%下落しています。EPS（TTM）は1.66、P/E（TTM）は20.08で、配当利回りは1.31%です。
最新のデータが公表したところ、BYDは中国における電池設置容量で23.19%のシェアで2位となり、設置容量は17.49 GWhに達しました。国内の総電池設置容量は75.4 GWhで、前年比57.3%増加しました。2024年通年では、BYDは24.74%のシェアで2位となり、CATLは45.08%のシェアで首位を維持しました。
充電式バッテリーの主要メーカーであるBYDは、リチウムイオンバッテリー、NiMHバッテリー、NCMバッテリーを提供しており、これらは消費者向け電子機器、新エネルギー車、エネルギー貯蔵など幅広い用途に使用されています。重要な点は、同社がサプライチェーン全体を所有しているため、品質とコストの管理が向上していることです。
BYDは今年、新世代のBladeバッテリーをEV向けに発売する準備が整っており、同バッテリーは同社の将来の車両に使用されます。Bladeバッテリーの第1世代は2020年にBYDが導入し、現在の世代はBYDがEVを駆動するだけでなく、Tesla(TSLA )、Toyota(TM )、Ford(F )、Kia、Hyundaiなど他の自動車メーカーでも使用されています。
従来のリチウムイオンバッテリーと比較して、これらのリチウムイオンリン酸鉄（LFP）バッテリーはコスト効率が高く、BYDは予算志向のEVモデルを導入し、成長を促進しました。次世代のBladeバッテリーはさらにコンパクトで効率的、安全性が向上し、航続距離も伸びる予定です。
同社の自動車事業に関しては、BYDは昨年、世界で記録的なEVとハイブリッド車の販売台数を達成し、最大の競合であるTeslaは430万台を販売しました。中国で最も売れている自動車メーカーは2024年に176万台の純粋なEVを販売し、過去10年間で数千億ドル規模の政府補助金に支えられた国内市場で激しい競争に直面しています。
同社の収益に関しては、2024年第3四半期に電気自動車メーカーはガソリンエンジン車の生産を2022年に停止し、純利益が11.5%増の16.3億ドルに達し、売上高は前年同期比24%増の282.4億ドルとなりました。
結論
バッテリーは、今日のエレクトロニクス、電気自動車、直感的なセルラーネットワーク、深宇宙ミッションなどの重要な構成要素であり、技術革命を牽引しています。しかし、急速に増加する電子廃棄物と減少する非再生資源は、再生可能な天然資源に基づく製品の開発を必要としています。これは、研究者が真菌のような有機材料を利用してバッテリーを構築することで注目された分野です。
長年にわたり地球上の生命を豊かにし、未来を形作ってきた真菌は、リサイクルと材料変換のリーダーとして関心が高まっています。彼らは、バイオベースの循環型経済へのグリーンシフトを実現し、人間、植物、動物の健康を確保する新たな概念を導入するソリューションを提供します。
真菌は農業、医療、バイオテクノロジーで研究・利用されてきましたが、最新の研究は材料科学と微生物電気化学の分野で大きな前進を示しています。環境に優しい材料を使用した構造と、微生物燃料電池で使用できるさまざまなセルロースベースの真菌電極を3Dプリントする機会を創出しています。
このようなブレークスルーは、差し迫った環境課題に対処し、バイオベースで高性能なエネルギー貯蔵システムの設計に新たな可能性を開き、真に持続可能で循環型経済の実現に近づく手助けをします。
