The Soil Microbial Fuel תאים (SMFCs) use naturally occurring bacteria in the soil to generate electricity. As a long-term, decentralised source of renewable power, the SMFCs could be perpetually deployed for real-time monitoring of various environmental conditions and can also contribute to the growth of precision חקלאות and smart cities. However, despite being in existence for over a century, the practical application of SMFCs has been nearly non-existent due to inconsistency in power output. Currently, there is no SMFC that can generate electricity consistently outside high moisture watery conditions. In a recent study, the researchers created and compared different design versions and found that the vertical cell design improves performance and makes SMFCs more resilient to changes in soil moisture.
חידקי תאי דלק (MFCs) are bioreactors that produce electricity by converting the energy in the chemical bonds of אורגני compounds into electrical energy through biocatalysis by microbes. The electrons released in the anode compartment by bacterial oxidation of substrate are transferred to cathode where they combine with oxygen and hydrogen ions.
התגובות הביוכימיות במצב אירובי, למשל, עבור אצטט כמצע הן:
חצי תגובת חמצון על האנודה
CH3COO- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ +8e-
חצי תגובת הפחתת על הקתודה
2 או 2 + 8 ח + + 8 - → 4H 2 O
בסביבה אנאירובית, MFCs יכולים להשתמש בפסולת ביולוגית כמצע לייצור חשמל.
ל-MFC יש פוטנציאל לשמש פתרון לבעיות סביבתיות של אנרגיה בת קיימא, התחממות כדור הארץ וניהול פסולת ביולוגית. יש לו מארז מוצק ליישום באזורים שבהם סוללות כימיות רגילות ופאנלים סולאריים אינם מהציפיות, כגון בתשתיות ירוקות, אדמות דשא, ביצות או מתחת לאדמה. באזורים אלה, פאנלים סולאריים אינם פועלים בלילה ובדרך כלל מתכסים בלכלוך או בצמחייה בעודם מרכיבים כימיקלים סוללות leach into the environment. The Soil Microbial Fuel תאים (SMFCs) come as a sustainable source of energy in such areas in farming, grassland, forest and wasteland to power low energy devices.
The Soil Microbial Fuel Cells (SMFCs) use naturally occurring bacteria in the soil to generate electricity. Under optimal conditions, SMFCs can produce up to 200 μW of power with a voltage of 731 mV. As a long-term, decentralised source of renewable power, the SMFCs could be perpetually deployed for real-time monitoring of various environmental conditions and guide policy. These can also contribute to the growth of smart cities and חוות.
עם זאת, למרות היותם קיימים יותר ממאה שנה, היישום המעשי של SMFCs בגובה הקרקע היה מוגבל מאוד. נכון לעכשיו, אין SMFC שיכול לייצר חשמל באופן עקבי מחוץ לתנאי מים עם לחות גבוהה. חוסר העקביות בתפוקת החשמל מיוחסת להבדלים בתנאי הסביבה, לחות הקרקע, סוגי הקרקע, החיידקים המאכלסים את הקרקע וכו', אך לשינויים בלחות הקרקע יש השפעה מרבית על עקביות תפוקת ההספק. התאים צריכים להישאר לחות מספקת ומחומצת לתפוקת כוח עקבית, דבר שעלול להיות בעיה קשה כאשר קבורים מתחת לאדמה בעפר יבש.
עיצוב התא האנכי משפר את הביצועים והופך את ה-SMFCs לגמישים יותר לשינויים בלחות הקרקע.
מחקר שנערך לאחרונה (הכולל תהליך עיצוב איטרטיבי בן שנתיים עם תשעה חודשים משולבים של נתוני פריסת SMFC) בדק באופן שיטתי עיצובי תאים כדי להגיע להנחיות עיצוב כלליות. צוות המחקר יצר והשווה ארבע גרסאות שונות כולל העיצוב המסורתי שבו הקתודה והאנודה מקבילות זו לזו. העיצוב האנכי (גרסה 2: כיוון האנודה אופקי וכיוון הקתודה בניצב) של תא הדלק נמצא עם הביצועים הטובים ביותר. זה עבד היטב בטווח הלחות של מצב מוצף עד מצב יבש במקצת.
בתכנון אנכי, האנודה (העשויה מפחמן ללכידת האלקטרונים המשתחררים על ידי החיידקים) קבורה באדמה הלחה בניצב לפני הקרקע בעוד הקתודה (העשויה ממתכת אינרטית ומוליך) יושבת אנכית על גבי האנודה אופקית בקרקע. רמה שבה חמצן זמין בקלות להשלמת חצי תגובת ההפחתה.
תפוקת הכוח לתכנון הייתה גבוהה משמעותית לאורך כל משך הזמן שבו התא הוצף במים. הוא פעל היטב ממצב תת-מימי לחלוטין ליובש במקצת (41% מים בנפח), אולם עדיין הייתה לו דרישה גבוהה של 41% מים נפחיים (VWC) כדי להישאר פעיל.
מחקר זה עוסק בשאלה בנוגע להיבט העיצובי של SMFCs לקראת שיפור העקביות והעמידות בפני שינויי לחות. מכיוון שהמחברים פרסמו את כל העיצובים, ההדרכות וכלי הסימולציה לציבור לשימוש ולהתבסס עליהם, יש לקוות שזה אמור לתרגם ליישומים רחבים יותר בתחומים מגוונים כגון בחקלאות מדויקת בעתיד הקרוב.
***
הפניות:
- Vishwanathan AS, 2021. תאי דלק מיקרוביאליים: סקירה מקיפה למתחילים. 3 ביוטכנולוגיה. 2021 מאי; 11(5): 248. פורסם באינטרנט ב-01 במאי 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- עשר ב', ואח' 2024. מחשוב מופעל על ידי אדמה: מדריך המהנדס לעיצוב תאי דלק מיקרוביאליים בקרקע. פורסם: 12 בינואר 2024. הליכים של ACM על טכנולוגיות אינטראקטיביות, ניידות, לבישות וטכנולוגיות בכל מקום. כרך 7 גיליון 4 מאמר מס': 196 עמ' 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- האוניברסיטה הצפון מערבית. חדשות-תא דלק המופעל על ידי עפר פועל לנצח. פורסם ב-12 בינואר 2024. זמין ב https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
