Jordens mikrobiella bränsle Celler (SMFC) använder naturligt förekommande bakterier i marken för att generera elektricitet. Som en långsiktig, decentraliserad källa till förnybar kraft, kan SMFC:erna ständigt distribueras för realtidsövervakning av olika miljöförhållanden och kan också bidra till ökad precision odling och smarta städer. Men trots att de har funnits i över ett sekel har den praktiska tillämpningen av SMFC:er varit nästan obefintlig på grund av inkonsekvens i uteffekt. För närvarande finns det ingen SMFC som kan generera el konsekvent utanför vattenhaltiga förhållanden med hög fuktighet. I en nyligen genomförd studie skapade og jämförde forskarna olika designversioner och fann att den vertikala celldesignen förbättrar prestandan och gör SMFC:er mer motståndskraftiga mot förändringar i markfuktighet.
Microbial bränsleceller (MFC) är bioreaktorer som producerar elektricitet genom att omvandla energin i de kemiska bindningarna av ekologisk föreningar till elektrisk energi genom biokatalys av mikrober. Elektronerna som frigörs i anodrummet genom bakteriell oxidation av substrat överförs till katod där de kombineras med syre- och vätejoner.
De biokemiska reaktionerna under aeroba tillstånd, till exempel, för acetat som substrat är:
oxidationshalvreaktion på anoden
CH3KUTTRA- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ +8e-
reduktionshalvreaktion på katod
om 2 2 + 8 timmar + + 8: a - → 4H 2 O
I anaerob miljö kan MFC:er använda bioavfall som substrat för att producera elektricitet.
MFC:er har potential att fungera som en lösning på miljöfrågor med hållbar energi, den globala uppvärmningen och hantering av bioavfall. Den har ett solidt fodral för användning i områden där vanliga kemiska batterier och solpaneler inte lever upp till förväntningarna, som i gröna infrastrukturer, gräsmarker, våtmarker eller underjordiska. I dessa områden fungerar inte solpaneler på natten och täcks vanligtvis av smuts eller växtlighet medan beståndsdelar av kemikalier batterier läcka ut i miljön. Jordens mikrobiella bränsle Celler (SMFC) kommer som en hållbar energikälla i sådana områden inom jordbruk, gräsmark, skog och ödemark för att driva lågenergiapparater.
Jordens mikrobiella bränsleceller (SMFC) använder naturligt förekommande bakterier i jorden för att generera elektricitet. Under optimala förhållanden kan SMFC producera upp till 200 μW effekt med en spänning på 731 mV. Som en långsiktig, decentraliserad källa till förnybar kraft, kan SMFC:erna ständigt distribueras för realtidsövervakning av olika miljöförhållanden och vägleda policy. Dessa kan också bidra till tillväxten av smarta städer och gårdar.
Men trots att de har funnits i över ett sekel har den praktiska tillämpningen av SMFC på marknivå varit mycket begränsad. För närvarande finns det ingen SMFC som kan generera el konsekvent utanför vattenhaltiga förhållanden med hög fuktighet. Inkonsekvensen i uteffekt beror på skillnader i miljöförhållanden, markfuktighet, jordtyper, mikrober som lever i marken etc. men förändringar i markfuktigheten har maximal betydelse för effektuttagets konsistens. Cellerna måste förbli tillräckligt hydrerade och syresatta för konsekvent uteffekt, vilket kan vara ett svårt problem när de begravs under jord i torr smuts.
Den vertikala celldesignen förbättrar prestandan och gör SMFC:er mer motståndskraftiga mot förändringar i markfuktighet.
En nyligen genomförd studie (som involverar en 2 år lång iterativ designprocess med sammanlagt nio månaders SMFC-utbyggnadsdata) har systematiskt testat celldesigner för att komma fram till allmänna designriktlinjer. Forskargruppen skapade och jämförde fyra olika versioner inklusive den traditionella designen där både katod och anod är parallella med varandra. Bränslecellens vertikala design (version 3: anodorientering horisontell & katodorientering vinkelrät) visade sig vara bäst presterande. Det fungerade bra i fuktintervallet från översvämmat till något torrt tillstånd.
I vertikal design är anoden (gjord av kol för att fånga de elektroner som frigörs av bakterierna) begravd i den fuktiga jorden vinkelrätt mot markytan medan katoden (gjord av en inert, ledande metall) sitter vertikalt ovanpå anoden horisontellt vid marken nivå där syre är lätt tillgängligt för att fullborda reduktionshalvreaktionen.
Effekten för design var betydligt högre under hela den tid då cellen översvämmades med vatten. Den fungerade bra från helt undervattenskondition till något torr (41 volymprocent vatten), men den hade fortfarande höga krav på 41 % volymvatteninnehåll (VWC) för att förbli aktiv.
Denna studie tar upp frågor angående designaspekten av SMFC för att förbättra konsistensen och motståndskraften mot fuktförändringar. Eftersom författarna har släppt alla konstruktioner, tutorials och simuleringsverktyg för allmänheten att använda och bygga vidare på, bör detta förhoppningsvis översättas till bredare tillämpningar inom olika områden som inom precisionsjordbruk inom en snar framtid.
***
Referenser:
- Vishwanathan AS, 2021. Mikrobiella bränsleceller: en omfattande recension för nybörjare. 3 Biotech. maj 2021; 11(5): 248. Publicerad online 01 maj 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Tio B., et al, 2024. Soil-Powered Computing: The Engineer's Guide to Practical Soil Microbial Fuel Cell Design. Publicerad: 12 januari 2024. Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Volym 7 Nummer 4Artikelnr: 196pp 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Northwestern University. Nyheter-Smutsdriven bränslecell går för evigt. Upplagd 12 januari 2024. Finns på https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
