Czy ekstremofile zrewolucjonizują kosmiczny i ziemski rynek?
Rozmawiamy z Ewą Borowską, założycielką i CTO Extremo Technologies oraz dr inż. Weroniką Urbańską, adiunktem Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej, jedną z głównych doradczyń firmy w zakresie obiegu zamkniętego i recyklingu.
Czym są ekstremofile i gdzie je można zastosować? Jak te organizmy łączą dziedziny, którymi się Panie zajmują?
Ewa Borowska: Ekstremofile to organizmy na Ziemi o unikalnych cechach umożliwiających im przetrwanie w trudnych warunkach. Badania nad nimi pozwalają poznać ich unikatowy potencjał, który z powodzeniem możemy wykorzystać w nauce do opracowywania nowych metod czy procesów technologicznych. Dzięki wykorzystaniu specyficznych ekstremofili lub substancji z nich pozyskiwanych możemy zastosować je w zrównoważonym rozwoju i eksploracji kosmosu.
Ekstremofile znajdują zastosowanie w technologiach związanych z ochroną środowiska, biotechnologii czy medycynie.
Dr inż. Weronika Urbańska: Osobiście dla mnie ze względu na prowadzone prace badawcze, szczególnie ważne jest zrównoważone pozyskiwanie surowców krytycznych. W tym celu można stosować mikroorganizmy ekstremofilne właśnie do odzyskiwania metali zawartych w odpadach polimetalicznych, których przykładem są zużyte baterie litowo-jonowe. Bioługowanie z wykorzystaniem ekstremofili daje szanse również na wdrożenie tej metody do eksploracji zasobów pozaziemskich, ukrytych w skałach – np. Marsa i Księżyca, w których obecnych jest wiele cennych metali, których zasoby ziemskie mogą się niebawem wyczerpać.
Wykorzystując możliwości ekstremofili do pionierskich rozwiązań nie tylko na Ziemi, ale także w eksploracji Kosmosu, pracujemy nad autorskimi produktami, projektami i inicjatywami wykorzystującymi ekstremofile, aby stworzyć nową, zieloną przyszłość i funkcjonalne otoczenie dla nas wszystkich.
Ewa Borowska
Proszę powiedzieć nam więcej o samej organizacji. Czy Extremo Technologies to startup czy raczej instytut badawczy?
EB: Myśl o założeniu startupu dojrzewała w nas już jakiś czas. Na początku skupiłyśmy się na możliwości aplikowania o granty wdrożeniowe i to było naszym celem. Jednakże w ciągu kolejnych miesięcy od założenia firmy, zauważyłyśmy także potrzebę edukacji w kierunku interdyscyplinarności, pracy w grupach i kreatywności. Po prostu potrzeby mentorowania zdolnych ludzi. Extremo Technologies skupia się obecnie na nowych technologiach w kierunku tworzenia innowacyjnych systemów w obiegu zamkniętym, w celu oczyszczania powietrza, wzbogacenie go w dodatkowy tlen, nawilżania przy spełnieniu funkcji wizualnej są priorytetem na najbliższe lata. Zrównoważony rozwój i zapobieganie zmianom klimatycznym oraz wykorzystywanie już istniejących technologii sektora kosmicznego pozwala nam na jeszcze lepsze rozwijanie potencjału wyjątkowych mikroorganizmów. Umożliwia to tworzenie kreatywnych rozwiązań w zakresie różnych procesów, jak produkcja żywności, bio energii i innowacyjnych materiałów w sposób bardziej wydajny i mniej zasobochłonny niż obecne podejścia.
Wykorzystując możliwości ekstremofili do pionierskich rozwiązań nie tylko na Ziemi, ale także w eksploracji Kosmosu, pracujemy nad autorskimi produktami, projektami i inicjatywami wykorzystującymi ekstremofile, aby stworzyć nową, zieloną przyszłość i funkcjonalne otoczenie dla nas wszystkich. Dodatkowo jesteśmy aktywnymi naukowcami i popularyzatorami nauki. Prowadząc wykłady i warsztaty związane ze STEAM (ang. science, technology, engineering, art, maths) edukacją, pokazujemy, jak łączyć nowe technologie, interdyscyplinarne i biznesowe podejście oraz kreatywne myślenie pomiędzy różnymi pokoleniami.
Czy któreś z technologii, nad którymi Panie pracują zostaną wkrótce użyte w praktyce przy eksploracji kosmosu lub bliskie są komercjalizacji do zastosowania w warunkach ziemskich?
WU: Zajmujemy się badaniem możliwości zastosowania organizmów ekstremofilnych w ochronie środowiska. Do moich zainteresowań naukowych należą szczególnie metody odzyskiwania surowców z odpadów polimetalicznych, głównie zużytych baterii litowo-jonowych znajdujących zastosowanie w urządzeniach elektronicznych czy pojazdach elektrycznych. Dzięki zastosowaniu naturalnych możliwości ekstremofili możliwe jest efektywne wydzielenie różnych metali wchodzących w skład baterii, między innymi litu i kobaltu. Są to podstawowe surowce krytyczne niezbędne w nowoczesnych technologiach, których zasoby naturalne są nadmiernie eksploatowane i w krótkim czasie mogą znacznie zubożeć. Metody biologiczne, które stosujemy do pozyskiwania ziemskich surowców mogą być także wykorzystywane w eksploracji zasobów kosmosu – Marsa i Księżyca, ze względu na ich efektywność – odzyskiwanie wielu, różnych metali, prostotę prowadzenia procesu oraz bezpieczeństwo. Dzięki temu stwarza to duże szanse w kontekście kolonizacji planet czy księżyców naszego układu słonecznego lub nawet uzupełnienia zasobów ziemskich w pierwiastki szczególnie dla nas ważne, jak np. metale ziem rzadkich.
Nad tym pracujemy naukowo, natomiast firma dość niedawno zmieniła swój profil na rozwój w kierunku zrównoważonego rozwoju i innowacji z tym związanych, zarówno do zastosowania w naszym codziennym życiu, jak i do wspomagania astronautów w różnych misjach. Nasza obecna prezes, Pani architekt Wiktoria Dziaduła, ma bogate doświadczenie związane z architekturą kosmiczną oraz architekturą w miejscach ekstremalnych na Ziemi. Dzięki połączeniu tak wielu dziedzin plus aspektów wizualnych i architektonicznych, jesteśmy w stanie wypracować zupełnie nowe podejście w wyżej wymienionej branży w ochronie środowiska i sektorze kosmicznym. Poza tym, również naszym nadrzędnym celem jako naukowców była i jest edukacja kolejnych pokoleń. W najbliższym czasie planujemy podjąć działania w tym kierunku, aby umożliwić jeszcze lepsze wsparcie młodzieży i studentów w kwestiach interdyscyplinarności i STEAM.
Pani Ewo, czym są astrobiologia i geomikrobiologia?
EB: Wytłumaczę to pojęcie tak jak jest znane ono bliżej mnie jako astrobiologowi:
Astrobiologia jest interdyscyplinarną dziedziną nauki, która nie tylko koncentruje się na poszukiwaniu życia pozaziemskiego, ale także na rozszyfrowaniu kluczowych parametrów środowiskowych, które umożliwiły pojawienie się życia na Ziemi. To bardzo interdyscylinarna dziedzina, która skupia w sobie wiele innych nauk od chemicznych, po geologiczne, fizyczne czy biologiczne, wykorzystując je do odkrywania nowych procesów do tej pory nieznanych na Ziemi. Odkrywając te czynniki, jesteśmy w stanie porównać je do zjawisk już nam poznanych na innych ciałach niebieskich naszego Układu Słonecznego lub nawet poza nim.
Natomiast sama geomikrobiologia jest poniekąd używana przeze mnie w badaniach, właśnie astobiologicznych. Geomikrobiologia jest nierozerwalnie związana z procesami zachodzącymi w naszej ziemskiej geosferze, hydrosferze, biosferze czy atmosferze. Krótko mówiąc z procesami biogechemicznymi Ziemi, których wspólne połączenie kształtuje naszą planetę. Najważniejsze są tutaj same mikroorganizmy, które biorą udział w procesach geologicznych i geochemicznych, wpływając na zmiany w skałach i ich minerałach. Ponadto interakcje pomiędzy drobnoustrojami a minerałami i zbudowanymi z nich pierwiastkami to kluczowy aspekt przemian geomikrobioogicznych, kształtujących wiele procesów chemicznych, które napędzają cykle biogeochemiczne Ziemi.
Współpracuje Pani z NASA, do czego Pani badania wykorzystywane są przez Agencję Kosmiczną?
EB: W ubiegłym roku (2022) odbyłam staż naukowy w NASA Ames Research Center w Kalifornii, dzięki stypendium Fundacji Kościuszkowskiej. W ramach grantu badałam aerozole wulkaniczne i możliwość przemieszczania się mikroorganizmów ekstremofilnych w kwaśnych wyziewach wulkanicznych. Moje badania ściśle dotyczą organizmów ekstremofilnych – mikroglonów wulkanicznych, które badam na co dzień w moim doktoracie na Uniwersytecie Warszawskim.
(…) badane przez nas możliwości wykorzystania mikroorganizmów ekstremofilnych nawiązują do zamkniętego obiegu surowców, ale też do przeciwdziałania postępującym zmianom klimatycznym. Biologiczne metody odzysku pozwalają na redukcję powstawania wtórnych zanieczyszczeń (m.in. brak emisji toksycznych gazów), a jednocześnie charakteryzują się wysoką efektywnością, bezpieczeństwem i stosunkowo niskimi kosztami prowadzenia procesu w porównaniu do metod chemicznych i termicznych stosowanych obecnie w przemyśle.
Ewa Borowska i Weronika Urbańska
Czy wyniki tych badań mogą być wykorzystane również do ochrony środowiska naturalnego lub spowolnienia zmian klimatycznych na Ziemi?
EB i WU: Oczywiście, zrównoważona gospodarka surowcami to obecnie jeden z głównych kierunków w ochronie środowiska ze względu na duże zużycie naturalnych zasobów do zaspokojenia ogromnego zapotrzebowania na najnowsze technologie – przykładem może być chociażby wdrażanie elektromobilności opartej na pojazdach elektrycznych, w których stosuje się surowce krytyczne: grafit, lit, kobalt, metale szlachetne czy metale ziem rzadkich. W związku z tym poszukiwanie możliwości ich skutecznego odzyskiwania z odpadów i ich ponownego wykorzystania jest priorytetem. Należy także podkreślić, że przemysł wydobywczy jest jednym z tych, które generują największe ilości różnych odpadów, które wymagają odpowiedniego zagospodarowania. W związku z tym badane przez nas możliwości wykorzystania mikroorganizmów ekstremofilnych nawiązują do zamkniętego obiegu surowców, ale też do przeciwdziałania postępującym zmianom klimatycznym. Biologiczne metody odzysku pozwalają na redukcję powstawania wtórnych zanieczyszczeń (m.in. brak emisji toksycznych gazów), a jednocześnie charakteryzują się wysoką efektywnością, bezpieczeństwem i stosunkowo niskimi kosztami prowadzenia procesu w porównaniu do metod chemicznych i termicznych stosowanych obecnie w przemyśle.
Pani Weroniko, a jak zarządzanie odpadami może pomóc zapobiec zmianom klimatycznym?
WU: Odpady, których ogromne ilości wytwarzamy na co dzień zarówno w przemyśle, jak i naszych gospodarstwach domowych (dane statystyczne GUS z 2022 roku wskazują, że jeden mieszkaniec Polski generuje średnio 358 kg odpadów komunalnych rocznie) mają bardzo duży wpływ na obserwowane zmiany klimatyczne, ponieważ ich niewłaściwe zagospodarowanie może powodować skażenia wody i gleby, ale także emisje toksycznych zanieczyszczeń do powietrza atmosferycznego czy zagrożenia epidemiologiczne. W związku z tym bardzo ważne jest podejmowanie działań mających na celu odpowiednie przetwarzanie odpadów, najlepiej w kierunku odzyskiwania surowców w nich zawartych, co jest także zgodne z celami zrównoważonego rozwoju i założeniami modelu gospodarki o obiegu zamkniętym. Niemniej należy też zwrócić uwagę na to, że w kontekście hierarchii postępowania z odpadami podstawowym celem jest zapobieganie ich powstawaniu, co w obecnych czasach konsumpcjonizmu jest niezwykle trudnym zadaniem.
Dlaczego na świecie wciąż tak niewiele baterii litowo-jonowych poddaje się recyklingowi?
WU: Wynika to z różnych czynników. Przede wszystkim technologia baterii litowo-jonowych stosowana na szeroką skalę przemysłową jest stosunkowo nowa – jeszcze do niedawna często używano mniej zaawansowanych akumulatorów niklowo-wodorkowych. Obecnie praktycznie każde urządzenie elektroniczne, ale też pojazdy elektryczne są zasilane przez baterie litowo-jonowe, które mogą się między sobą różnić składem ilościowo-jakościowym w zależności od zastosowanego materiału tworzącego elektrodę dodatnią – katodę. W ten sposób możemy mieć do czynienia z materiałem zawierającym głównie np. lit i kobalt, lit-nikiel-kobalt-mangan czy lit-żelazo-fosfor. Odpady takie są więc trudne w przetwarzaniu przez złożony skład materiałowy i wymagają odpowiednio zaprojektowanych technologii odzysku dedykowanych danemu typowi ogniwa. Ponadto, oprócz złożoności komponentów, zużyte ogniwa litowo-jonowe są problematyczne we wstępnej obróbce mechanicznej ze względu na zawartość reaktywnego litu, co w efekcie może powodować zagrożenie samozapłonem czy wybuchem takich odpadów. Konieczne jest zatem ich odpowiednie transportowanie, przechowywanie, a także przygotowanie – rozładowanie, co nie występuje chociażby w recyklingu popularnych jednorazowych baterii alkalicznych. Również przepisy prawne są dopiero dostosowywane do obecnej sytuacji – jeszcze kilka lat temu w statystykach nawet nie wyróżniano ilości baterii Li-ion wprowadzanych na polski rynek, ponieważ nie były one aż tak popularne. Oczywiście, w kontekście wprowadzanej teraz elektromobilności oraz racjonalnej gospodarki surowcami, spodziewać się można rozwoju recyklingu baterii litowo-jonowych w globalnej skali przemysłowej – wzrost ilości samochodów elektrycznych zdeterminuje w najbliższym czasie gwałtowny przyrost ilości odpadów baterii wymagających kompleksowego zagospodarowania ukierunkowanego na odzysk materiałowy, umożliwiając tym samym powrót surowców do obiegu i ich ponowne wykorzystanie.
Szczególnie obiecującą alternatywę w tym zakresie (odzysk metali z baterii – przyp. red.) stanowi zastosowanie procesu bioługowania z wykorzystaniem mikroorganizmów ekstremofilnych, zdolnych do wzrostu w warunkach ekstremalnych, jak np. skrajne wartości temperatury i pH czy w obecności metali ciężkich.
Weronika Urbańska
Jakie obecnie stosowane metody recyklingu baterii uważa Pani za warte rozwijania? A może te najlepsze są jeszcze w fazie badań?
WU: W przemyśle metale zawarte w proszku bateryjnym odzyskiwane są z wykorzystaniem metod hydrometalurgicznych i/lub pirometalurgicznych, które mimo licznych zalet są niekorzystne dla środowiska m.in. ze względu na emisję toksycznych gazów i stosowanie silnych reagentów chemicznych. Wobec tego stale poszukuje się rozwiązań, które pozwolą na zmniejszenie negatywnego oddziaływania stosowanych procesów na środowisko przy zachowaniu dotychczasowej efektywności. Szczególnie obiecującą alternatywę w tym zakresie stanowi zastosowanie procesu bioługowania z wykorzystaniem mikroorganizmów ekstremofilnych, zdolnych do wzrostu w warunkach ekstremalnych, jak np. skrajne wartości temperatury i pH czy w obecności metali ciężkich. Biologiczne metody odzysku metali pozwalają na redukcję powstawania wtórnych zanieczyszczeń (m.in. brak emisji toksycznych gazów), a jednocześnie charakteryzują się wysoką efektywnością, bezpieczeństwem i stosunkowo niskimi kosztami prowadzenia procesu.
W nowym badaniach zajmują się Panie możliwością pozyskiwania metali z regolitu księżycowego i marsjańskiego przy użyciu mikroorganizmów. Proszę opowiedzieć nam na czym polega „biowydobycie”, „biomining’’.
EB i WU: Biomining to technika pozyskiwania surowców z ich naturalnych zasobów, np. metali z ich rud, z wykorzystaniem mikroorganizmów. Metody biologiczne znajdują również zastosowanie w recyklingu zużytych baterii Li-ion opierając się właściwie na tej samej zasadzie ługowania surowców. Również w eksploracji zasobów pozaziemskich można wykorzystać bioługowanie będące znacznie bezpieczniejszą i tańszą metodą pozyskiwania metali, przy czym tak samo skuteczną jak metody chemiczne czy termiczne stosowane w tradycyjnym górnictwie czy recyklingu.
Obecnie największe agencje kosmiczne starają się znaleźć najlepszy sposób na pozyskiwanie tych surowców, nie tylko z regolitu, ale i asteroid. Obecnie jesteśmy na etapie sprawdzania możliwości zastosowania różnych organizmów ekstremofionych w biominingu. Wraz z innymi naukowcami rozpoczęliśmy już pierwsze testy procesu technologicznego dotyczącego zastosowania różnych szczepów. Jest to także jedna z części mojej pracy doktorskiej, mówi Ewa Borowska.
Czy te badania mogą pomoc w pracach nad ulepszeniem metod recyklingu baterii litowo-jonowych?
WU: Prowadzone badania wpisują się w trendy odzysku metali z odpadów baterii i wprowadzania ich ponownie do obiegu w postaci surowców wtórnych możliwych do wykorzystania na przykład przy produkcji nowych ogniw. Obecnie najpopularniejszym typem baterii są akumulatory litowo-jonowe stosowane w urządzeniach elektronicznych takich jak laptopy czy telefony komórkowe i branży automotive – do zasilania nowoczesnych pojazdów elektrycznych, co determinuje szybki wzrost ilości ich odpadów, które muszą być na bieżąco przetwarzane. W związku z globalnie podejmowanymi działaniami na rzecz ochrony środowiska i zapobiegania zmianom klimatu (m.in. rozwój elektromobilności) stale poszukuje się metod zagospodarowania tego typu odpadów, które będą korzystne zarówno ekonomicznie, jak i technologicznie, przy jednoczesnym małym wpływie na środowisko. Rozwiązanie może stanowić wprowadzenie metody bioługowania metali z odpadów baterii na skalę przemysłową. Metoda ta jest stosunkowo prosta w prowadzeniu, tania, bezpieczna, a przy tym równie skuteczna, jeśli chodzi o uzyskiwane stopnie odzyskiwania metali takich jak lit czy kobalt.
Czy mogą pomóc również w opracowaniu nowych technologii produkcji baterii?
WU: Z pewnością. Obecnie wdrażany model gospodarki o obiegu zamkniętym składa się nie tylko z założeń dotyczących odzyskiwania surowców i zmniejszenia ich zużywania z naturalnych zasobów, ale także tzw. ekoprojektowania. W takim podejściu ważne jest zwrócenie uwagi na to w jaki sposób zaprojektowany jest dany produkt, tzn. jakich surowców trzeba będzie użyć i jak to wpłynie na środowisko, a co za tym idzie – w jaki sposób zostanie odzyskane z odpadów tego produktu. W związku z tym, dzięki badaniom w zakresie recyklingu zużytych baterii możemy określić trudności w tego typu procesach, a co za tym idzie – też proponować rozwiązania ułatwiające recykling takich odpadów w przyszłości. Wiedząc jak odzyskiwać różnego rodzaju komponenty, jesteśmy w stanie dostosować technologię produkcji baterii, tak aby wykorzystanie surowców wtórnych było możliwie zmaksymalizowane.
Ewa Borowska – założycielka Extremo Technologies i obecna dyrektor ds. technologii (CTO). Zajmuje się łączeniem innowacyjnych technologii, ulepszaniem systemów bazujących na nowych biotechnologiach i wdrażaniem interdyscyplinarnego podejścia w firmie. Uważa, że badania nad organizmami ekstremofilnymi pozwolą odpowiedzieć na wiele pytań dotyczących życia na innych planetach układu słonecznego oraz poza nim, oraz na walkę z różnymi chorobami, czy ochronie środowiska. Ukończyła między innymi oceanografię na Uniwersytecie Gdańskim oraz jest obecnie doktorantką Uniwersytetu Warszawskiego w Kolegium Międzywydziałowych Indywidualnych Studiów Matematyczno-Przyrodniczych.
Dr inż. Weronika Urbańska – adiunkt badawczo-dydaktyczny w Katedrze Inżynierii Ochrony Środowiska na Wydziale Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej, doktor nauk inżynieryjno-technicznych w dziedzinie inżynierii środowiska, górnictwo i energetyka, specjalność: technologia odpadów. Do jej zainteresowań należą metody odzysku metali krytycznych ze zużytych baterii litowo-jonowych, zrównoważona gospodarka surowcami i ich pozyskiwanie z zasobów pozaziemskich, wpływ gospodarki odpadami na zmiany klimatu oraz wdrożenie modelu GOZ w życiu codziennym (zero waste) i przemyśle.