سلول های سوختی میکروبی خاک (SMFC): طراحی جدید می تواند برای محیط زیست و کشاورزان مفید باشد 

سوخت میکروبی خاک سلول ها (SMFCs) از باکتری‌های موجود در خاک برای تولید برق استفاده می‌کنند. به عنوان یک منبع بلندمدت و غیرمتمرکز انرژی تجدیدپذیر، SMFC ها می توانند به طور دائم برای نظارت بر زمان واقعی شرایط مختلف محیطی مستقر شوند و همچنین می توانند به رشد دقت کمک کنند. کشاورزی و شهرهای هوشمند با این حال، علیرغم وجود بیش از یک قرن، کاربرد عملی SMFCها به دلیل ناهماهنگی در توان خروجی تقریباً وجود نداشته است. در حال حاضر هیچ SMFCی وجود ندارد که بتواند به طور مداوم در خارج از شرایط آبی با رطوبت بالا تولید برق کند. در یک مطالعه اخیر، محققان نسخه‌های طراحی مختلف را ایجاد و مقایسه کردند و دریافتند که طراحی سلول عمودی عملکرد را بهبود می‌بخشد و SMFCها را در برابر تغییرات رطوبت خاک انعطاف‌پذیرتر می‌کند.   

میکروبی سلول های سوختی (MFCs) بیوراکتورهایی هستند که با تبدیل انرژی موجود در پیوندهای شیمیایی الکتریسیته تولید می کنند سازمانی ترکیبات به انرژی الکتریکی از طریق کاتالیز زیستی توسط میکروب ها تبدیل می شوند. الکترون های آزاد شده در محفظه آند توسط اکسیداسیون باکتریایی بستر به کاتد منتقل می شوند و در آنجا با یون های اکسیژن و هیدروژن ترکیب می شوند.  

واکنش های بیوشیمیایی تحت شرایط هوازی، به عنوان مثال، برای استات به عنوان سوبسترا عبارتند از: 

نیمه واکنش اکسیداسیون روی آند 

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

کاهش نیمه واکنش در کاتد 

درباره 2 ₂ + 8 ساعت ⁺ + 8 ه ^-   → 4 ساعت ₂ O 

در محیط بی هوازی، MFCها می توانند از زباله های زیستی به عنوان بستر برای تولید برق استفاده کنند. 

MFCها پتانسیلی برای خدمت به عنوان راه حلی برای مسائل زیست محیطی انرژی پایدار دارند. گرم شدن کره زمین و مدیریت پسماندهای زیستی این یک مورد محکم برای کاربرد در مناطقی است که باتری‌های شیمیایی معمولی و پنل‌های خورشیدی کمتر از حد انتظار هستند، مانند زیرساخت‌های سبز، مراتع، تالاب‌ها یا زیرزمین. در این مناطق، پنل‌های خورشیدی در شب کار نمی‌کنند و معمولاً توسط خاک یا پوشش گیاهی پوشیده می‌شوند در حالی که مواد شیمیایی تشکیل‌دهنده هستند. باتری شسته شدن به محیط سوخت میکروبی خاک سلول ها (SMFCs) به عنوان یک منبع انرژی پایدار در چنین مناطقی در کشاورزی، علفزار، جنگل و زمین‌های بایر برای تامین انرژی دستگاه‌های کم انرژی می‌آیند.  

سلول های سوختی میکروبی خاک (SMFC) از باکتری های طبیعی موجود در خاک برای تولید برق استفاده می کنند. تحت شرایط بهینه، SMFCها می توانند تا 200 میکرووات برق با ولتاژ 731 میلی ولت تولید کنند. به عنوان یک منبع بلندمدت و غیرمتمرکز انرژی تجدیدپذیر، SMFCها می‌توانند دائماً برای پایش بلادرنگ شرایط محیطی مختلف و سیاست‌های راهنما به کار گرفته شوند. اینها همچنین می توانند به رشد شهرهای هوشمند و مزارع.  

با این حال، علیرغم وجود بیش از یک قرن، کاربرد عملی SMFCها در سطح زمین بسیار محدود بوده است. در حال حاضر هیچ SMFCی وجود ندارد که بتواند به طور مداوم در خارج از شرایط آبی با رطوبت بالا تولید برق کند. ناهماهنگی در توان خروجی به تفاوت در شرایط محیطی، رطوبت خاک، انواع خاک، میکروب‌های ساکن در خاک و غیره نسبت داده می‌شود، اما تغییرات در رطوبت خاک بیشترین تأثیر را بر ثبات توان خروجی دارد. سلول ها باید به اندازه کافی هیدراته و اکسیژن دار باقی بمانند تا توان خروجی ثابتی داشته باشند که ممکن است در هنگام مدفون شدن در زیر زمین در خاک خشک مشکلی دشوار باشد.   

طراحی سلول عمودی عملکرد را بهبود می بخشد و SMFC ها را در برابر تغییرات رطوبت خاک انعطاف پذیرتر می کند.  

یک مطالعه اخیر (شامل یک فرآیند طراحی تکراری 2 ساله با ترکیب 3 ماه داده استقرار SMFC) به طور سیستماتیک طرح های سلولی را برای رسیدن به دستورالعمل های طراحی کلی آزمایش کرده است. تیم تحقیقاتی چهار نسخه مختلف از جمله طرح سنتی که در آن هر دو کاتد و آند با یکدیگر موازی هستند، ایجاد و مقایسه کردند. طراحی عمودی (نسخه XNUMX: جهت آند افقی و جهت کاتد عمود بر) پیل سوختی بهترین عملکرد را داشت. در محدوده رطوبت از شرایط آبگرفتگی تا شرایط تا حدودی خشک به خوبی کار می کرد.  

در طراحی عمودی، آند (ساخته شده از کربن برای گرفتن الکترون های آزاد شده توسط باکتری ها) در خاک مرطوب عمود بر سطح زمین دفن می شود در حالی که کاتد (ساخته شده از یک فلز بی اثر و رسانا) به صورت عمودی در بالای آند به صورت افقی در زمین قرار می گیرد. سطحی که اکسیژن برای تکمیل نیمه واکنش کاهشی به راحتی در دسترس باشد.  

توان خروجی برای طراحی در طول مدت زمانی که سلول با آب غرق شد به طور قابل توجهی بالاتر بود. از شرایط کاملاً زیر آب تا تا حدودی خشک (41 درصد آب حجمی) به خوبی عمل می کرد، با این حال هنوز 41 درصد محتوای حجمی آب (VWC) برای فعال ماندن نیاز داشت.  

این مطالعه به سوال در مورد جنبه طراحی SMFCها در جهت بهبود قوام و انعطاف پذیری در برابر تغییرات رطوبت می پردازد. از آنجایی که نویسندگان تمامی طرح‌ها، آموزش‌ها و ابزارهای شبیه‌سازی را برای استفاده و ساخت بر روی عموم منتشر کرده‌اند، امیدواریم این امر در آینده نزدیک به کاربردهای گسترده‌تری در زمینه‌های مختلف مانند کشاورزی دقیق تبدیل شود.  

*** 

منابع:  

1. Vishwanathan AS، 2021. سلول های سوختی میکروبی: بررسی جامع برای مبتدیان. 3 بیوتکنولوژی مه 2021; 11 (5): 248. منتشر شده به صورت آنلاین 01 مه 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. ده ب. و همکاران 2024. محاسبات مبتنی بر خاک: راهنمای مهندس برای طراحی کاربردی سلول سوختی میکروبی خاک. منتشر شده: 12 ژانویه 2024. مجموعه مقالات ACM در فن آوری های تعاملی، موبایل، پوشیدنی و همه جا حاضر. جلد 7 شماره 4 شماره مقاله: 196 ص 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. دانشگاه نورث وسترن اخبار-پیل سوختی با موتور خاک برای همیشه کار می کند. ارسال شده در 12 ژانویه 2024. موجود در https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***