Paliwo mikrobiologiczne gleby Komórki (SMFC) wykorzystują naturalnie występujące w glebie bakterie do wytwarzania energii elektrycznej. Jako długoterminowe, zdecentralizowane źródło energii odnawialnej, SMFC można stale wykorzystywać do monitorowania w czasie rzeczywistym różnych warunków środowiskowych, a także mogą przyczynić się do wzrostu precyzji rolnictwo i inteligentne miasta. Jednak pomimo istnienia od ponad stu lat, praktyczne zastosowanie SMFC prawie nie istnieje z powodu niespójności w mocy wyjściowej. Obecnie nie ma SMFC, które byłoby w stanie stale wytwarzać energię elektryczną poza wodnistymi warunkami o dużej wilgotności. W niedawnym badaniu naukowcy stworzyli i porównali różne wersje projektów i odkryli, że konstrukcja ogniw pionowych poprawia wydajność i sprawia, że SMFC są bardziej odporne na zmiany wilgotności gleby.
Drobnoustroje ogniwa paliwowe (MFC) to bioreaktory wytwarzające energię elektryczną poprzez konwersję energii w wiązaniach chemicznych organiczny związki chemiczne w energię elektryczną w drodze biokatalizy przez drobnoustroje. Elektrony uwolnione w komorze anodowej w wyniku bakteryjnego utleniania podłoża przenoszone są na katodę, gdzie łączą się z jonami tlenu i wodoru.
Reakcje biochemiczne w warunkach tlenowych, na przykład dla octanu jako substratu, są następujące:
półreakcja utleniania na anodzie
CH3GRUCHAĆ- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ +8e-
reakcja połowiczna redukcji na katodzie
2 O 2 + 8H + + 8 e - → 4 godz 2 O
W środowisku beztlenowym MFC mogą wykorzystywać bioodpady jako substrat do produkcji energii elektrycznej.
MFC mają potencjał, aby służyć jako rozwiązanie problemów środowiskowych związanych ze zrównoważoną energią, globalne ocieplenie i gospodarowanie bioodpadami. Ma solidne podstawy do zastosowania w obszarach, w których zwykłe baterie chemiczne i panele słoneczne nie spełniają oczekiwań, takich jak zielona infrastruktura, łąki, tereny podmokłe lub pod ziemią. Na tych obszarach panele słoneczne nie działają w nocy i zwykle są pokryte brudem lub roślinnością zawierającą substancje chemiczne baterie przedostawać się do środowiska. Paliwo mikrobiologiczne gleby Komórki (SMFC) stanowią zrównoważone źródło energii na takich obszarach jak rolnictwo, użytki zielone, lasy i nieużytki do zasilania urządzeń niskoenergetycznych.
Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe gleby (SMFC) wykorzystują bakterie naturalnie występujące w glebie do wytwarzania energii elektrycznej. W optymalnych warunkach SMFC mogą wytwarzać do 200 μW mocy przy napięciu 731 mV. Jako długoterminowe, zdecentralizowane źródło energii odnawialnej, SMFC można stale wykorzystywać do monitorowania w czasie rzeczywistym różnych warunków środowiskowych i wyznaczania kierunków polityki. Mogą one również przyczynić się do rozwoju inteligentnych miast i gospodarstw.
Jednakże pomimo istnienia od ponad stu lat, praktyczne zastosowanie SMFC na poziomie gruntu jest bardzo ograniczone. Obecnie nie ma SMFC, które byłoby w stanie stale wytwarzać energię elektryczną poza wodnistymi warunkami o dużej wilgotności. Niespójność w mocy wyjściowej przypisuje się różnicom w warunkach środowiskowych, wilgotności gleby, rodzajach gleby, drobnoustrojach zamieszkujących glebę itp., ale zmiany wilgotności gleby mają największy wpływ na stałość mocy wyjściowej. Ogniwa muszą pozostać odpowiednio nawodnione i dotlenione, aby zapewnić stałą moc wyjściową, co może być trudnym problemem, gdy są zakopane pod ziemią w suchym brudzie.
Konstrukcja komórek pionowych poprawia wydajność i sprawia, że SMFC są bardziej odporne na zmiany wilgotności gleby.
W niedawnym badaniu (obejmującym dwuletni, iteracyjny proces projektowania z połączonymi danymi dotyczącymi wdrażania SMFC z dziewięciu miesięcy) systematycznie testowano projekty ogniw w celu uzyskania ogólnych wytycznych projektowych. Zespół badawczy stworzył i porównał cztery różne wersje, w tym wersję tradycyjną, w której katoda i anoda są do siebie równoległe. Stwierdzono, że konstrukcja pionowa (wersja 2: orientacja anody pozioma i orientacja katody prostopadle) ogniwa paliwowego jest najskuteczniejsza. Sprawdził się dobrze w zakresie wilgotności od stanu zalanego do nieco suchego.
W konstrukcji pionowej anoda (wykonana z węgla w celu wychwytywania elektronów uwalnianych przez bakterie) jest zakopana w wilgotnej glebie prostopadle do powierzchni ziemi, podczas gdy katoda (wykonana z obojętnego, przewodzącego metalu) jest umieszczona pionowo na anodzie poziomo przy ziemi poziom, na którym tlen jest łatwo dostępny do zakończenia połowicznej reakcji redukcji.
Projektowana moc wyjściowa była znacznie wyższa przez cały czas zalewania ogniwa wodą. Działał dobrze od stanu całkowicie podwodnego do nieco suchego (41% objętości wody), jednak nadal wymagał wysokiej, 41% objętościowej zawartości wody (VWC), aby pozostać aktywny.
Niniejsze badanie odpowiada na pytanie dotyczące aspektów konstrukcyjnych SMFC w kierunku poprawy konsystencji i odporności na zmiany wilgoci. Miejmy nadzieję, że ponieważ autorzy udostępnili publicznie wszystkie projekty, samouczki i narzędzia symulacyjne do wykorzystania i rozbudowy, powinno to w najbliższej przyszłości przełożyć się na szersze zastosowania w różnych obszarach, takich jak rolnictwo precyzyjne.
***
Referencje:
- Vishwanathan AS, 2021. Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe: kompleksowa recenzja dla początkujących. 3 Biotechnologia. 2021 maj; 11(5): 248. Opublikowano w internecie 01 maja 2021 r. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Dziesięć B., i wsp 2024. Obliczenia zasilane z gleby: Przewodnik inżyniera po praktycznym projektowaniu mikrobiologicznych ogniw paliwowych w glebie. Opublikowano: 12 stycznia 2024 r. Postępowania ACM dotyczące technologii interaktywnych, mobilnych, przenośnych i wszechobecnych. Tom 7 Wydanie 4 Nr artykułu: 196 s. 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Uniwersytet Północno-Zachodni. Wiadomości-Ogniwo paliwowe zasilane brudem działa wiecznie. Opublikowano 12 stycznia 2024 r. Dostępne pod adresem https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
