Το μικροβιακό καύσιμο του εδάφους Κύτταρα (SMFC) χρησιμοποιούν φυσικά βακτήρια στο έδαφος για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ως μακροπρόθεσμη, αποκεντρωμένη πηγή ανανεώσιμης ενέργειας, οι SMFC θα μπορούσαν να αναπτυχθούν διαρκώς για παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο διαφόρων περιβαλλοντικών συνθηκών και μπορούν επίσης να συμβάλουν στην αύξηση της ακρίβειας καλλιέργεια και έξυπνες πόλεις. Ωστόσο, παρόλο που υπάρχει για περισσότερο από έναν αιώνα, η πρακτική εφαρμογή των SMFC ήταν σχεδόν ανύπαρκτη λόγω ασυνέπειας στην απόδοση ισχύος. Επί του παρόντος, δεν υπάρχει SMFC που να μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια με συνέπεια εκτός υδάτινων συνθηκών υψηλής υγρασίας. Σε μια πρόσφατη μελέτη, οι ερευνητές δημιούργησαν και συνέκριναν διαφορετικές εκδόσεις σχεδιασμού και διαπίστωσαν ότι ο σχεδιασμός κάθετης κυψέλης βελτιώνει την απόδοση και κάνει τα SMFC πιο ανθεκτικά στις αλλαγές στην υγρασία του εδάφους.
Μικροβιακός κυψέλες καυσίμου (MFCs) είναι βιοαντιδραστήρες που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια μετατρέποντας την ενέργεια στους χημικούς δεσμούς του οργανικές ενώσεις σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω βιοκατάλυσης από μικρόβια. Τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται στο διαμέρισμα της ανόδου από βακτηριακή οξείδωση του υποστρώματος μεταφέρονται στην κάθοδο όπου συνδυάζονται με ιόντα οξυγόνου και υδρογόνου.
Οι βιοχημικές αντιδράσεις υπό αερόβιες συνθήκες, για παράδειγμα, για το οξικό ως υπόστρωμα είναι:
ημιαντίδραση οξείδωσης στην άνοδο
CH3ΕΡΩΤΟΛΟΓΏ- + 3Η2O → CO2 +HCO3- + 8Η+ + 8ε-
ημιαντίδραση αναγωγής στην κάθοδο
O 2 2 + 8 Ω + + 8 ε - → 4 Ω 2 O
Σε αναερόβιο περιβάλλον, τα MFC μπορούν να χρησιμοποιήσουν βιοαπόβλητα ως υπόστρωμα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Τα MFC έχουν τη δυνατότητα να χρησιμεύσουν ως λύση σε περιβαλλοντικά ζητήματα αειφόρου ενέργειας, υπερθέρμανση του πλανήτη και διαχείριση βιοαποβλήτων. Έχει μια σταθερή περίπτωση για εφαρμογή σε περιοχές όπου οι κανονικές χημικές μπαταρίες και τα ηλιακά πάνελ δεν ανταποκρίνονται στις προσδοκίες, όπως σε πράσινες υποδομές, λιβάδια, υγροτόπους ή υπόγεια. Σε αυτές τις περιοχές, τα ηλιακά πάνελ δεν λειτουργούν τη νύχτα και συνήθως καλύπτονται από βρωμιά ή βλάστηση, ενώ τα συστατικά του χημικού μπαταρίες διοχέτευση στο περιβάλλον. Το μικροβιακό καύσιμο του εδάφους Κύτταρα (SMFC) έρχονται ως βιώσιμη πηγή ενέργειας σε τέτοιες περιοχές σε γεωργία, λιβάδια, δάση και ερημιές για να τροφοδοτήσουν συσκευές χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας.
Οι μικροβιακές κυψέλες καυσίμου εδάφους (SMFCs) χρησιμοποιούν φυσικά βακτήρια στο έδαφος για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Κάτω από βέλτιστες συνθήκες, τα SMFC μπορούν να παράγουν έως και 200 μW ισχύος με τάση 731 mV. Ως μακροπρόθεσμη, αποκεντρωμένη πηγή ανανεώσιμης ενέργειας, οι SMFC θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν μόνιμα για παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο διαφόρων περιβαλλοντικών συνθηκών και καθοδήγηση πολιτικής. Αυτά μπορούν επίσης να συμβάλουν στην ανάπτυξη των έξυπνων πόλεων και εκμεταλλεύσεις.
Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι υπάρχουν για περισσότερο από έναν αιώνα, η πρακτική εφαρμογή των SMFC στο επίπεδο του εδάφους ήταν πολύ περιορισμένη. Επί του παρόντος, δεν υπάρχει SMFC που να μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια με συνέπεια εκτός υδάτινων συνθηκών υψηλής υγρασίας. Η ασυνέπεια στην απόδοση ισχύος αποδίδεται σε διαφορές στις περιβαλλοντικές συνθήκες, την υγρασία του εδάφους, τους τύπους εδάφους, τα μικρόβια που κατοικούν στο έδαφος κ.λπ. αλλά οι αλλαγές στην υγρασία του εδάφους έχουν τη μέγιστη επίδραση στη συνοχή της ισχύος εξόδου. Τα κύτταρα πρέπει να παραμείνουν επαρκώς ενυδατωμένα και οξυγονωμένα για σταθερή απόδοση ισχύος, κάτι που μπορεί να είναι ένα δύσκολο ζήτημα όταν θαφτεί κάτω από το έδαφος σε ξηρή βρωμιά.
Ο σχεδιασμός κάθετης κυψέλης βελτιώνει την απόδοση και κάνει τα SMFC πιο ανθεκτικά στις αλλαγές στην υγρασία του εδάφους.
Μια πρόσφατη μελέτη (που περιλαμβάνει μια επαναληπτική διαδικασία σχεδίασης διάρκειας 2 ετών με συνδυαστικά δεδομένα ανάπτυξης SMFC εννέα μηνών) έχει δοκιμάσει συστηματικά τα σχέδια κυψελών για να καταλήξει σε γενικές κατευθυντήριες γραμμές σχεδιασμού. Η ερευνητική ομάδα δημιούργησε και συνέκρινε τέσσερις διαφορετικές εκδόσεις συμπεριλαμβανομένου του παραδοσιακού σχεδιασμού στον οποίο τόσο η κάθοδος όσο και η άνοδος είναι παράλληλες μεταξύ τους. Ο κατακόρυφος σχεδιασμός (έκδοση 3: προσανατολισμός ανόδου οριζόντιος & προσανατολισμός καθόδου κάθετος) της κυψέλης καυσίμου βρέθηκε να έχει την καλύτερη απόδοση. Λειτουργούσε καλά στο εύρος υγρασίας από κατάσταση πλημμύρας έως κάπως ξηρή κατάσταση.
Σε κατακόρυφο σχεδιασμό, η άνοδος (από άνθρακα για τη σύλληψη των ηλεκτρονίων που απελευθερώνονται από τα βακτήρια) θάβεται στο υγρό έδαφος κάθετα στην επιφάνεια του εδάφους, ενώ η κάθοδος (από αδρανές, αγώγιμο μέταλλο) βρίσκεται κάθετα στην άνοδο οριζόντια στο έδαφος. επίπεδο όπου το οξυγόνο είναι άμεσα διαθέσιμο για την ολοκλήρωση της μισής αντίδρασης αναγωγής.
Η ισχύς εξόδου για το σχεδιασμό ήταν σημαντικά υψηλότερη καθ' όλη τη διάρκεια όταν η κυψέλη πλημμύριζε με νερό. Λειτουργούσε καλά από τελείως υποβρύχια κατάσταση έως κάπως ξηρό (41% νερό κατ' όγκο), ωστόσο είχε υψηλή απαίτηση 41% ογκομετρικής περιεκτικότητας σε νερό (VWC) για να παραμείνει ενεργό.
Αυτή η μελέτη εξετάζει το ερώτημα σχετικά με την πτυχή του σχεδιασμού των SMFC προς τη βελτίωση της συνέπειας και της ανθεκτικότητας στις αλλαγές υγρασίας. Εφόσον οι συγγραφείς έχουν κυκλοφορήσει όλα τα σχέδια, τα σεμινάρια και τα εργαλεία προσομοίωσης στο κοινό για χρήση και αξιοποίηση, ελπίζουμε ότι αυτό θα μεταφραστεί σε ευρύτερες εφαρμογές σε διάφορους τομείς, όπως στη γεωργία ακριβείας στο εγγύς μέλλον.
***
αναφορές:
- Vishwanathan AS, 2021. Μικροβιακές κυψέλες καυσίμου: μια ολοκληρωμένη ανασκόπηση για αρχάριους. 3 Βιοτεχνολογία. Μάιος 2021; 11(5): 248. Δημοσιεύθηκε στο διαδίκτυο 01 Μαΐου 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Δέκα Β., et αϊ 2024. Soil-Powered Computing: The Engineer's Guide to Practical Soil Microbial Fuel Cell Design. Δημοσιεύθηκε: 12 Ιανουαρίου 2024. Πρακτικά του ACM σχετικά με τις διαδραστικές, κινητές, φορητές και πανταχού παρούσες τεχνολογίες. Τόμος 7 Τεύχος 4Αριθμός άρθρου: 196 σελ. 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Πανεπιστήμιο Northwestern. News-Η κυψέλη καυσίμου που τροφοδοτείται από βρωμιά λειτουργεί για πάντα. Δημοσιεύτηκε στις 12 Ιανουαρίου 2024. Διαθέσιμο στο https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
