Pôdne mikrobiálne palivové články (SMFC): Nový dizajn by mohol byť prínosom pre životné prostredie a farmárov 

Pôdne mikrobiálne palivo Bunky (SMFC) využívajú prirodzene sa vyskytujúce baktérie v pôde na výrobu elektriny. Ako dlhodobý, decentralizovaný zdroj obnoviteľnej energie by sa SMFC mohli neustále nasadzovať na monitorovanie rôznych podmienok prostredia v reálnom čase a môžu tiež prispieť k zvýšeniu presnosti. poľnohospodárstva a inteligentných miest. Napriek tomu, že SMFC existujú už viac ako storočie, praktické využitie SMFC takmer neexistuje kvôli nekonzistentnosti vo výstupnom výkone. V súčasnosti neexistuje žiadny SMFC, ktorý by dokázal konzistentne vyrábať elektrinu mimo vodnatých podmienok s vysokou vlhkosťou. V nedávnej štúdii výskumníci vytvorili a porovnali rôzne verzie dizajnu a zistili, že vertikálny dizajn buniek zlepšuje výkon a robí SMFC odolnejšími voči zmenám vlhkosti pôdy.   

Mikrobiálne palivové články (MFC) sú bioreaktory, ktoré vyrábajú elektrinu premenou energie v chemických väzbách organický zlúčeniny na elektrickú energiu prostredníctvom biokatalýzy mikróbmi. Elektróny uvoľnené v anódovom priestore bakteriálnou oxidáciou substrátu sa prenesú na katódu, kde sa spoja s iónmi kyslíka a vodíka.  

Biochemické reakcie za aeróbnych podmienok, napríklad pre acetát ako substrát, sú: 

oxidačná polovičná reakcia na anóde 

CH₃COO^- +3H₂O → CO₂ +HCO₃^- +8H⁺ +8e^-  

redukčná polovičná reakcia na katóde 

o 2 ₂ + 8 h ⁺ + 8 ^-   → 4H ₂ O 

V anaeróbnom prostredí môžu MFC využívať biologický odpad ako substrát na výrobu elektriny. 

MFC majú potenciál slúžiť ako riešenie environmentálnych problémov udržateľnej energie, Globálne otepľovanie a nakladanie s biologickým odpadom. Má pevné puzdro na použitie v oblastiach, kde bežné chemické batérie a solárne panely nespĺňajú očakávania, ako sú zelené infraštruktúry, trávnaté plochy, mokrade alebo podzemie. V týchto oblastiach solárne panely nefungujú v noci a zvyčajne sú pokryté špinou alebo vegetáciou, zatiaľ čo zložky chemických látok batérie vylúhovať do životného prostredia. Pôdne mikrobiálne palivo Bunky (SMFC) prichádzajú ako udržateľný zdroj energie v takých oblastiach v poľnohospodárstve, na pastvinách, lesoch a pustatinách na napájanie nízkoenergetických zariadení.  

Pôdne mikrobiálne palivové články (SMFC) využívajú prirodzene sa vyskytujúce baktérie v pôde na výrobu elektriny. Za optimálnych podmienok môžu SMFC produkovať výkon až 200 μW s napätím 731 mV. Ako dlhodobý, decentralizovaný zdroj obnoviteľnej energie by sa SMFC mohli neustále nasadzovať na monitorovanie rôznych environmentálnych podmienok v reálnom čase a usmerňovať politiku. Aj tie môžu prispieť k rastu inteligentných miest a farmy.  

Napriek tomu, že SMFC existujú už viac ako storočie, praktické využitie SMFC na úrovni terénu je veľmi obmedzené. V súčasnosti neexistuje žiadny SMFC, ktorý by dokázal konzistentne vyrábať elektrinu mimo vodnatých podmienok s vysokou vlhkosťou. Nekonzistentnosť výkonu sa pripisuje rozdielom v podmienkach prostredia, pôdnej vlhkosti, typom pôdy, mikróbom osídľujúcim pôdu atď., ale zmeny pôdnej vlhkosti majú maximálny vplyv na konzistentnosť výkonu. Bunky musia zostať primerane hydratované a okysličené, aby sa dosiahol konzistentný výkon, čo môže byť zložitý problém, keď sú uložené pod zemou v suchej špine.   

Vertikálny dizajn buniek zlepšuje výkon a robí SMFC odolnejšími voči zmenám pôdnej vlhkosti.  

Nedávna štúdia (zahŕňajúca 2-ročný proces iteračného návrhu s kombinovanými deviatimi mesiacmi údajov o nasadení SMFC) systematicky testovala návrhy buniek, aby sa dospelo k všeobecným usmerneniam pre návrh. Výskumný tím vytvoril a porovnal štyri rôzne verzie vrátane tradičného dizajnu, v ktorom sú katóda aj anóda navzájom paralelné. Zistilo sa, že vertikálny dizajn (verzia 3: orientácia anódy horizontálne a orientácia katódy kolmo) palivového článku má najlepšiu výkonnosť. Fungovalo dobre v rozsahu vlhkosti od zaplaveného stavu až po trochu suchý stav.  

Vo vertikálnom prevedení je anóda (vyrobená z uhlíka na zachytenie elektrónov uvoľnených baktériami) pochovaná vo vlhkej pôde kolmo na povrch zeme, zatiaľ čo katóda (vyrobená z inertného vodivého kovu) sedí vertikálne na anóde horizontálne na zemi. úroveň, kde je kyslík ľahko dostupný na dokončenie redukčnej polovičnej reakcie.  

Výkon pre dizajn bol výrazne vyšší počas celého trvania, keď bol článok zaplavený vodou. Pracoval dobre od úplne pod vodou až po trochu suchý (41 % objemových vody), ale stále mal vysoký obsah 41 % objemovej vody (VWC), aby zostal aktívny.  

Táto štúdia sa zaoberá otázkou týkajúcou sa dizajnového aspektu SMFC smerom k zlepšeniu konzistencie a odolnosti voči zmenám vlhkosti. Keďže autori zverejnili všetky návrhy, návody a simulačné nástroje pre verejnosť, aby ich mohla používať a stavať na nich, dúfajme, že by sa to malo v blízkej budúcnosti premietnuť do širších aplikácií v rôznych oblastiach, ako je napríklad presné poľnohospodárstvo.  

*** 

Referencie:  

1. Vishwanathan AS, 2021. Mikrobiálne palivové články: komplexný prehľad pre začiatočníkov. 3 Biotech. máj 2021; 11(5): 248. Publikované online 01. mája 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. desať B., et al 2024. Soil-Powered Computing: The Engineer's Guide to Praktic Soil Microbial Fuel Cell Design. Publikované: 12. januára 2024. Zborník ACM o interaktívnych, mobilných, nositeľných a všadeprítomných technológiách. Ročník 7 Číslo 4Článok č.: 196pp 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Severozápadná univerzita. Novinky - Palivový článok poháňaný nečistotami beží navždy. Uverejnené 12. januára 2024. Dostupné na https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***