Mikrobno gorivo tla Stanice (SMFC) koriste bakterije koje se prirodno pojavljuju u tlu za proizvodnju električne energije. Kao dugoročni, decentralizirani izvor obnovljive energije, SMFC-ovi bi se mogli stalno koristiti za praćenje različitih uvjeta okoliša u stvarnom vremenu, a također mogu doprinijeti rastu preciznosti uzgoj i pametne gradove. Međutim, unatoč postojanju više od jednog stoljeća, praktična primjena SMFC-a je gotovo nepostojeća zbog nedosljednosti u izlaznoj snazi. Trenutno ne postoji SMFC koji može konstantno generirati električnu energiju izvan vodenih uvjeta visoke vlage. U nedavnoj studiji, istraživači su izradili i usporedili različite verzije dizajna i otkrili da vertikalni dizajn ćelija poboljšava performanse i čini SMFC-ove otpornijima na promjene vlažnosti tla.
Mikrobna gorive ćelije (MFC) su bioreaktori koji proizvode električnu energiju pretvaranjem energije u kemijskim vezama organski spojeva u električnu energiju biokatalizom mikroba. Elektroni oslobođeni u anodnom odjeljku bakterijskom oksidacijom supstrata prenose se na katodu gdje se spajaju s ionima kisika i vodika.
Biokemijske reakcije u aerobnim uvjetima, na primjer, za acetat kao supstrat su:
polureakcija oksidacije na anodi
CH3COO- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ +8e-
polureakcija redukcije na katodi
O 2 2 + 8 sati + + 8 - → 4H 2 O
U anaerobnom okruženju, MFC mogu koristiti biootpad kao supstrat za proizvodnju električne energije.
MFC-ovi imaju potencijal poslužiti kao rješenje ekoloških pitanja održive energije, globalno zatopljenje i gospodarenje biootpadom. Ima solidan slučaj za primjenu u područjima gdje obične kemijske baterije i solarni paneli ne ispunjavaju očekivanja, kao što su zelene infrastrukture, travnjaci, močvare ili podzemlje. U tim područjima solarni paneli ne rade noću i obično se prekrivaju prljavštinom ili vegetacijom dok sastojci kemikalija baterije iscuriti u okoliš. Mikrobno gorivo tla Stanice (SMFC) dolaze kao održivi izvor energije u takvim područjima u poljoprivredi, travnjacima, šumama i pustinjama za napajanje uređaja niske energije.
Mikrobne gorivne ćelije za tlo (SMFC) koriste bakterije koje se prirodno pojavljuju u tlu za proizvodnju električne energije. Pod optimalnim uvjetima, SMFC mogu proizvesti do 200 μW snage s naponom od 731 mV. Kao dugoročni, decentralizirani izvor obnovljive energije, SMFC-ovi bi se mogli stalno koristiti za praćenje različitih uvjeta okoliša u stvarnom vremenu i usmjeravanje politike. Oni također mogu doprinijeti rastu pametnih gradova i farme.
Međutim, unatoč tome što postoje više od jednog stoljeća, praktična primjena SMFC-ova na razini tla bila je vrlo ograničena. Trenutno ne postoji SMFC koji može konstantno generirati električnu energiju izvan vodenih uvjeta visoke vlage. Nedosljednost u izlaznoj snazi pripisuje se razlikama u uvjetima okoliša, vlažnosti tla, vrstama tla, mikrobima koji obitavaju u tlu itd., ali promjene u vlažnosti tla imaju najveći utjecaj na dosljednost izlazne snage. Stanice trebaju ostati adekvatno hidratizirane i oksigenirane za dosljednu izlaznu snagu, što može biti težak problem kada su zakopane pod zemljom u suhoj prljavštini.
Vertikalni dizajn ćelija poboljšava performanse i čini SMFC-ove otpornijima na promjene vlažnosti tla.
Nedavna studija (koja uključuje dvogodišnji iterativni proces dizajna s kombiniranim devet mjeseci podataka o implementaciji SMFC-a) sustavno je testirala dizajn ćelija kako bi se došlo do općih smjernica za dizajn. Istraživački tim stvorio je i usporedio četiri različite verzije uključujući tradicionalni dizajn u kojem su i katoda i anoda paralelne jedna s drugom. Vertikalni dizajn (verzija 2: usmjerenje anode vodoravno i usmjerenje katode okomito) gorive ćelije pokazalo se najboljim. Dobro je funkcionirao u rasponu vlage od poplavljenog do donekle suhog stanja.
U okomitom dizajnu, anoda (izrađena od ugljika za hvatanje elektrona koje oslobađaju bakterije) zakopana je u vlažnu zemlju okomito na površinu zemlje, dok katoda (izrađena od inertnog, vodljivog metala) sjedi okomito na vrhu anode vodoravno na tlu razina na kojoj je kisik lako dostupan za završetak polureakcije redukcije.
Izlazna snaga za dizajn bila je značajno veća tijekom cijelog trajanja kada je ćelija bila preplavljena vodom. Radio je dobro od potpuno podvodnog stanja do donekle suhog (41% vode po volumenu), no i dalje je imao visokih 41% volumetrijskog sadržaja vode (VWC) kako bi ostao aktivan.
Ova studija bavi se pitanjem u vezi s aspektom dizajna SMFC-a prema poboljšanju dosljednosti i otpornosti na promjene vlage. Budući da su autori objavili sve dizajne, upute i alate za simulaciju javnosti za korištenje i nadogradnju, nadajmo se da bi to trebalo prevesti u šire primjene u različitim područjima kao što je precizna poljoprivreda u bliskoj budućnosti.
***
Reference:
- Vishwanathan AS, 2021. Mikrobne gorivne ćelije: sveobuhvatan pregled za početnike. 3 Biotehnologija. svibnja 2021.; 11(5): 248. Objavljeno online 01. svibnja 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Deset B., dr. 2024. Računalstvo koje pokreće tlo: Inženjerski vodič za praktični dizajn mikrobnih gorivih ćelija u tlu. Objavljeno:12. siječnja 2024. Zbornik radova ACM-a o interaktivnim, mobilnim, nosivim i sveprisutnim tehnologijama. Svezak 7, broj 4, broj članka: 196 str. 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Sveučilište Northwestern. Vijesti - Gorivne ćelije na pogon prljavštinom rade vječno. Objavljeno 12. siječnja 2024. Dostupno na https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
