הדלק המיקרוביאלי של הקרקע תאים (SMFCs) משתמשים בחיידקים הקיימים באופן טבעי באדמה כדי לייצר חשמל. כמקור מבוזר לטווח ארוך של חשמל מתחדש, ניתן לפרוס את ה-SMFCs באופן תמידי לניטור בזמן אמת של תנאים סביבתיים שונים ויכולים גם לתרום לצמיחת הדיוק חקלאות וערים חכמות. עם זאת, למרות היותם קיימים יותר ממאה שנה, היישום המעשי של SMFCs כמעט ולא היה קיים עקב חוסר עקביות בתפוקת הכוח. נכון לעכשיו, אין SMFC שיכול לייצר חשמל באופן עקבי מחוץ לתנאי מים עם לחות גבוהה. במחקר שנערך לאחרונה, החוקרים יצרו והשוו גרסאות עיצוב שונות ומצאו שעיצוב התא האנכי משפר את הביצועים והופך את ה-SMFCs לעמידים יותר בפני שינויים בלחות הקרקע.
חידקי תאי דלק (MFCs) הם ביוריאקטורים המייצרים חשמל על ידי המרת האנרגיה בקשרים הכימיים של אורגני תרכובות לאנרגיה חשמלית באמצעות ביוקטליזה על ידי חיידקים. האלקטרונים המשתחררים בתא האנודה על ידי חמצון חיידקי של המצע מועברים לקתודה שם הם מתחברים עם יוני חמצן ומימן.
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 לשטוף לתוך הסביבה. הדלק המיקרוביאלי של הקרקע תאים (SMFCs) מגיעים כמקור בר-קיימא של אנרגיה באזורים כאלה בחקלאות, אדמות דשא, יערות ושממה כדי להפעיל מכשירים עם אנרגיה נמוכה.
תאי הדלק המיקרוביאליים של הקרקע (SMFCs) משתמשים בחיידקים המופיעים באופן טבעי באדמה כדי לייצר חשמל. בתנאים אופטימליים, SMFCs יכולים להפיק עד 200 μW של הספק עם מתח של 731 mV. כמקור ארוך טווח, מבוזר של חשמל מתחדש, ניתן יהיה לפרוס את ה-SMFCs באופן תמידי לניטור בזמן אמת של תנאים סביבתיים שונים ולהנחות מדיניות. אלה יכולים גם לתרום לצמיחה של ערים חכמות ו 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/
***
