Maaperän mikrobien polttoaine Solut (SMFC:t) käyttävät maaperässä luonnossa esiintyviä bakteereja sähkön tuottamiseen. Pitkän aikavälin hajautettuna uusiutuvan energian lähteenä SMFC:itä voitaisiin jatkuvasti käyttää erilaisten ympäristöolosuhteiden reaaliaikaiseen seurantaan, ja ne voivat myös edistää tarkkuuden kasvua. maanviljely ja älykkäitä kaupunkeja. Huolimatta siitä, että SMFC:t ovat olleet olemassa yli vuosisadan ajan, niiden käyttö on ollut lähes olematonta tehon epäjohdonmukaisuuden vuoksi. Tällä hetkellä ei ole olemassa SMFC:tä, joka voisi tuottaa jatkuvasti sähköä korkean kosteuden ulkopuolella. Äskettäisessä tutkimuksessa tutkijat loivat ja vertasivat eri suunnitteluversioita ja havaitsivat, että pystysuora kennorakenne parantaa suorituskykyä ja tekee SMFC:istä kestävämpiä maaperän kosteuden muutoksille.
mikrobien polttokennot (MFC) ovat bioreaktoreita, jotka tuottavat sähköä muuntamalla energiaa kemiallisissa sidoksissa orgaaninen yhdisteet sähköenergiaksi mikrobien biokatalyysin kautta. Anodiosastossa substraatin bakteerihapetuksesta vapautuneet elektronit siirtyvät katodille, jossa ne yhdistyvät happi- ja vetyionien kanssa.
Biokemialliset reaktiot aerobisissa olosuhteissa, esimerkiksi asetaatille substraattina, ovat:
hapettumisen puolireaktio anodilla
CH3KUJERTAA- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ +8e-
vähennyspuolireaktio katodilla
2 O 2 + 8H + + 8 - → 4H 2 O
Anaerobisessa ympäristössä MFC:t voivat käyttää biojätettä substraattina sähkön tuottamiseen.
MFC:t voivat toimia ratkaisuna kestävän energian ympäristökysymyksiin, lämpenemisen ja biojätehuolto. Se sopii käytettäväksi alueilla, joilla tavalliset kemialliset akut ja aurinkopaneelit eivät vastaa odotuksia, kuten vihreissä infrastruktuureissa, niityillä, kosteikoilla tai maan alla. Näillä alueilla aurinkopaneelit eivät toimi yöllä, ja ne peittyvät yleensä lian tai kasvillisuuden peittämänä, kun ne sisältävät kemikaaleja. akut huuhtoutua ympäristöön. Maaperän mikrobinen polttoaine Solut (SMFC:t) toimivat kestävänä energialähteenä näillä alueilla maataloudessa, niityillä, metsissä ja joutomailla energiaa vähän energiaa käyttäville laitteille.
Maaperän mikrobipolttokennot (SMFC) käyttävät maaperässä luonnossa esiintyviä bakteereja sähkön tuottamiseen. Optimaalisissa olosuhteissa SMFC:t voivat tuottaa jopa 200 μW tehoa 731 mV:n jännitteellä. Pitkän aikavälin hajautettuna uusiutuvan energian lähteenä SMFC:itä voitaisiin jatkuvasti käyttää erilaisten ympäristöolosuhteiden reaaliaikaiseen seurantaan ja ohjaamaan politiikkaa. Nämä voivat myös edistää älykkäiden kaupunkien kasvua ja maatilojen.
Huolimatta siitä, että SMFC:t ovat olleet olemassa yli vuosisadan, niiden käyttö maanpinnalla on ollut hyvin rajallista. Tällä hetkellä ei ole olemassa SMFC:tä, joka voisi tuottaa jatkuvasti sähköä korkean kosteuden ulkopuolella. Tehon epäjohdonmukaisuus johtuu ympäristöolosuhteiden eroista, maaperän kosteudesta, maaperätyypeistä, maaperässä asuvista mikrobeista jne., mutta maaperän kosteuden muutoksilla on suurin vaikutus tehon tasaisuuteen. Kennojen on pysyttävä riittävästi hydratoituna ja hapetettuna tasaisen tehon saamiseksi, mikä voi olla vaikea ongelma, kun ne haudataan maan alle kuivaan likaan.
Pystysuora kennorakenne parantaa suorituskykyä ja tekee SMFC:istä kestävämpiä maaperän kosteuden muutoksille.
Äskettäisessä tutkimuksessa (johon sisältyi 2 vuotta kestänyt iteratiivinen suunnitteluprosessi yhdistettynä yhdeksän kuukauden SMFC:n käyttöönottotietoihin) on järjestelmällisesti testattu solusuunnitelmia yleisten suunnitteluohjeiden saavuttamiseksi. Tutkimusryhmä loi ja vertaili neljää eri versiota, mukaan lukien perinteinen rakenne, jossa sekä katodi että anodi ovat rinnakkain. Polttokennon pystysuora rakenne (versio 3: anodin suuntaus vaakasuoraan ja katodin suuntaus kohtisuoraan) havaittiin parhaiten suoriutuneeksi. Se toimi hyvin kosteusalueella vedenpaisumuksesta hieman kuivaan tilaan.
Pystysuuntaisessa suunnittelussa anodi (valmistettu hiilestä bakteerien vapauttamien elektronien vangitsemiseksi) haudataan kosteaan maaperään kohtisuoraan maan pintaan nähden, kun taas katodi (valmistettu inertistä, johtavasta metallista) on pystysuorassa anodin päällä vaakasuorassa maassa. tasolle, jossa happea on helposti saatavilla pelkistyspuolireaktion loppuunsaattamiseksi.
Suunnittelun teho oli huomattavasti suurempi koko ajan, kun kenno oli täynnä vettä. Se toimi hyvin täysin vedenalaisesta tilasta hieman kuivaan (41 % vettä tilavuudesta), mutta sillä oli silti korkea 41 % tilavuusvesipitoisuus (VWC) pysyäkseen aktiivisena.
Tämä tutkimus käsittelee kysymystä, joka koskee SMFC:n suunnittelunäkökohtia, jotta ne parantaisivat konsistenssia ja kestävyyttä kosteusmuutoksille. Koska kirjoittajat ovat julkaisseet kaikki suunnitelmat, opetusohjelmat ja simulaatiotyökalut yleisön käyttöön ja niiden pohjalta, toivottavasti tämän pitäisi lähitulevaisuudessa levitä laajempiin sovelluksiin eri aloilla, kuten tarkkuusviljelyssä.
***
Viitteet:
- Vishwanathan AS, 2021. Mikrobipolttokennot: kattava katsaus aloittelijoille. 3 Biotekniikka. 2021 toukokuu; 11(5): 248. Julkaistu verkossa 01. toukokuuta 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Kymmenen B., et ai 2024. Soil-Powered Computing: Insinöörin opas käytännön maaperän mikrobien polttokennojen suunnitteluun. Julkaistu: 12. tammikuuta 2024. Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Osa 7 Numero 4 Artikkelinro: 196 s. 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Northwestern University. Uutiset-Likakäyttöinen polttokenno toimii ikuisesti. Julkaistu 12. tammikuuta 2024. Saatavilla osoitteessa https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
