Микробиското гориво на почвата Клетки (SMFC) користат природни бактерии во почвата за да генерираат електрична енергија. Како долгорочен, децентрализиран извор на обновлива енергија, SMFCs може постојано да се користат за следење во реално време на различни услови на животната средина и исто така може да придонесат за раст на прецизноста земјоделство и паметни градови. Сепак, и покрај постоењето повеќе од еден век, практичната примена на SMFC е речиси непостоечка поради недоследноста во излезната моќност. Во моментов, не постои SMFC што може постојано да генерира електрична енергија надвор од водени услови со висока влажност. Во една неодамнешна студија, истражувачите создадоа и споредија различни дизајнерски верзии и открија дека вертикалниот дизајн на ќелиите ги подобрува перформансите и ги прави SMFC поотпорни на промените во влагата на почвата.
Микроб горивни ќелии (MFCs) се биореактори кои произведуваат електрична енергија со конвертирање на енергијата во хемиските врски на органски соединенија во електрична енергија преку биокатализа од микроби. Електроните ослободени во одделот на анодата со бактериска оксидација на подлогата се пренесуваат во катодата каде што се комбинираат со кислород и водородни јони.
Биохемиските реакции под аеробна состојба, на пример, за ацетат како супстрат се:
полуреакција на оксидација на анодата
CH3Кул- + 3H2O → CO2 + HCO3- + 8H+ +8е-
редукција полуреакција на катодата
2 година О. 2 + 8 ч + + 8 -ри - H 4 ч 2 O
Во анаеробна средина, MFCs може да користат биоотпад како подлога за производство на електрична енергија.
MFCs имаат потенцијал да послужат како решение за еколошките прашања за одржлива енергија, глобалното затоплување и управување со биоотпад. Има цврст случај за примена во области каде што редовните хемиски батерии и соларни панели не ги исполнуваат очекувањата како што се зелените инфраструктури, пасиштата, мочуриштата или под земја. Во овие области, соларните панели не работат ноќе и обично се покриваат со нечистотија или вегетација додека состојките на хемиските батерии истекуваат во околината. Микробиското гориво на почвата Клетки (SMFCs) доаѓаат како одржлив извор на енергија во такви области во земјоделството, пасиштата, шумите и пустошите за напојување на уреди со ниска енергија.
Почвените микробни горивни ќелии (SMFC) користат природни бактерии во почвата за да генерираат електрична енергија. Под оптимални услови, SMFCs можат да произведат моќност до 200 μW со напон од 731 mV. Како долгорочен, децентрализиран извор на обновлива енергија, SMFCs може постојано да се користат за следење во реално време на различните услови на животната средина и водење на политиката. Овие исто така можат да придонесат за растот на паметните градови и фарми.
Сепак, и покрај постоењето повеќе од еден век, практичната примена на SMFC на ниво на земја е многу ограничена. Во моментов, не постои SMFC што може постојано да генерира електрична енергија надвор од водени услови со висока влажност. Неконзистентноста во излезната моќност се припишува на разликите во условите на животната средина, влажноста на почвата, видовите почви, микробите што ја населуваат почвата итн. но промените во влажноста на почвата имаат максимално влијание врз конзистентноста на излезната моќност. Клетките треба да останат адекватно хидрирани и оксигенирани за конзистентна излезна моќност што може да биде тежок проблем кога се закопани под земја во сува нечистотија.
Вертикалниот дизајн на ќелиите ги подобрува перформансите и ги прави SMFC поотпорни на промените во влагата на почвата.
Една неодамнешна студија (која вклучува 2-годишен итеративен процес на дизајнирање со комбинирани девет месеци податоци за распоредување на SMFC) систематски ги тестираше дизајните на ќелиите за да дојде до општите насоки за дизајн. Истражувачкиот тим создаде и спореди четири различни верзии вклучувајќи го и традиционалниот дизајн во кој и катодата и анодата се паралелни една со друга. Вертикалниот дизајн (верзија 3: ориентација на анодна хоризонтална и катодна ориентација нормална) на горивната ќелија се покажа дека има најдобра работа. Работеше добро во опсегот на влага од поплавена состојба до малку сува состојба.
Во вертикалниот дизајн, анодата (направена од јаглерод за да ги фати електроните ослободени од бактериите) е закопана во влажна почва нормално на површината на земјата, додека катодата (направена од инертен, спроводлив метал) седи вертикално на анодата хоризонтално на земјата. ниво каде што кислородот е лесно достапен за завршување на редукцијата половина реакција.
Излезната моќност за дизајнот беше значително поголема во текот на целото времетраење кога ќелијата беше преплавена со вода. Работеше добро од целосно подводна состојба до малку сув (41% вода по волумен), но сепак имаше висока потреба од 41% волуметриска содржина на вода (VWC) за да остане активна.
Оваа студија се однесува на прашањето во врска со дизајнерскиот аспект на SMFC кон подобрување на конзистентноста и отпорноста на промените на влагата. Со оглед на тоа што авторите ги објавија сите дизајни, упатства и алатки за симулација на јавноста за да ги користат и да ги надополнат, се надеваме дека ова ќе се претвори во пошироки апликации во различни области како што е прецизното земјоделство во блиска иднина.
***
Референци:
- Vishwanathan AS, 2021. Микроби горивни ќелии: сеопфатен преглед за почетници. 3 Биотехнологија. 2021 мај; 11(5): 248. Објавено на интернет 01 мај 2021 година. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Десет Б., и сор 2024. Пресметување на почва: инженерски водич за практичен дизајн на микробиолошки горивни ќелии на почвата. Објавено: 12 јануари 2024. Зборник на ACM за интерактивни, мобилни, погодни и сеприсутни технологии. Том 7 Број 4 Член бр.: 196 стр. 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Северозападен универзитет. Вести-горивни ќелии со нечистотија работи вечно. Објавено на 12 јануари 2024 година. Достапно на https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
