Почвени микробни горивни клетки (SMFC): Новият дизайн може да е от полза за околната среда и фермерите 

Почвеното микробно гориво Клетките (SMFC) използват естествено срещащи се бактерии в почвата за генериране на електричество. Като дългосрочен, децентрализиран източник на възобновяема енергия, SMFC могат да бъдат постоянно разгръщани за наблюдение в реално време на различни условия на околната среда и могат също така да допринесат за нарастване на прецизността земеделие и интелигентни градове. Въпреки това, въпреки че съществуват повече от век, практическото приложение на SMFC е почти несъществуващо поради непоследователност в изходната мощност. Понастоящем няма SMFC, който да генерира постоянно електричество извън водни условия с висока влажност. В скорошно проучване изследователите създадоха и сравниха различни версии на дизайна и установиха, че дизайнът на вертикалната клетка подобрява производителността и прави SMFC по-устойчиви на промени в почвената влага.   

микробен горивни клетки (MFC) са биореактори, които произвеждат електричество чрез преобразуване на енергията в химическите връзки на органичен съединения в електрическа енергия чрез биокатализа от микроби. Електроните, освободени в анодното отделение чрез бактериално окисление на субстрата, се прехвърлят към катода, където се комбинират с кислородни и водородни йони.  

Биохимичните реакции при аеробни условия, например за ацетат като субстрат, са: 

окислителна полуреакция на анода 

CH₃COO^- + 3Н₂O → CO₂ +HCO₃^- + 8Н⁺ + 8e^-  

редукционна полуреакция на катода 

За 2 ₂ + 8 Н ⁺ + 8 -ри ^-   → 4 Н ₂ O 

В анаеробна среда MFC могат да използват биоотпадъци като субстрат за производство на електричество. 

MFC имат потенциал да служат като решение на екологичните проблеми на устойчивата енергия, глобалното затопляне и управление на биологични отпадъци. Той има солиден случай за приложение в области, където обикновените химически батерии и слънчеви панели не отговарят на очакванията, като например в зелени инфраструктури, пасища, влажни зони или под земята. В тези райони слънчевите панели не работят през нощта и обикновено се покриват с мръсотия или растителност, докато съставките на химически батерии проникват в околната среда. Почвеното микробно гориво Клетките (SMFC) идват като устойчив източник на енергия в такива райони в земеделието, пасищата, горите и пустеещите земи за захранване на нискоенергийни устройства.  

Почвените микробни горивни клетки (SMFC) използват естествено срещащи се бактерии в почвата за генериране на електричество. При оптимални условия SMFC могат да произведат до 200 μW мощност с напрежение от 731 mV. Като дългосрочен, децентрализиран източник на възобновяема енергия, SMFC могат да бъдат постоянно разгръщани за наблюдение в реално време на различни условия на околната среда и ръководна политика. Те също могат да допринесат за растежа на интелигентните градове и ферми.  

Въпреки това, въпреки че съществуват повече от век, практическото приложение на SMFC на ниво земя е много ограничено. Понастоящем няма SMFC, който може да генерира постоянно електричество извън водни условия с висока влажност. Несъответствието в изходната мощност се дължи на разликите в условията на околната среда, влажността на почвата, видовете почви, микробите, обитаващи почвата и т.н., но промените в почвената влага имат максимално значение за постоянството на изходната мощност. Клетките трябва да останат адекватно хидратирани и наситени с кислород за постоянна мощност, което може да е труден проблем, когато са заровени под земята в суха мръсотия.   

Дизайнът на вертикалната клетка подобрява производителността и прави SMFC по-устойчиви на промени в почвената влага.  

Скорошно проучване (включващо 2-годишен итеративен процес на проектиране с комбинирани девет месеца данни за внедряване на SMFC) систематично тества дизайна на клетките, за да достигне до общи насоки за проектиране. Изследователският екип създаде и сравни четири различни версии, включително традиционния дизайн, при който и катодът, и анодът са успоредни един на друг. Установено е, че вертикалният дизайн (версия 3: ориентация на анода хоризонтална и ориентация на катода перпендикулярна) на горивната клетка е с най-добри резултати. Работи добре в диапазона на влажност от наводнено състояние до малко сухо състояние.  

При вертикален дизайн анодът (направен от въглерод за улавяне на електроните, освободени от бактериите) е заровен във влажната почва перпендикулярно на повърхността на земята, докато катодът (направен от инертен, проводим метал) се намира вертикално върху анода хоризонтално на земята ниво, при което кислородът е лесно достъпен за завършване на полуреакцията на редукция.  

Изходната мощност за проектиране беше значително по-висока през цялото времетраене, когато клетката беше наводнена с вода. Работеше добре от напълно подводно състояние до малко сухо (41% вода по обем), но все още имаше високо изискване за 41% обемно водно съдържание (VWC), за да остане активен.  

Това проучване разглежда въпроса относно аспекта на дизайна на SMFC за подобряване на последователността и устойчивостта на промени в влажността. Тъй като авторите са пуснали всички проекти, уроци и инструменти за симулация на обществеността за използване и надграждане, да се надяваме, че това трябва да доведе до по-широки приложения в различни области, като например прецизното земеделие в близко бъдеще.  

*** 

Литература:  

1. Vishwanathan AS, 2021. Микробни горивни клетки: изчерпателен преглед за начинаещи. 3 Биотехнология. 2021 май; 11(5): 248. Публикувано онлайн на 01 май 2021 г. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. Десет Б., и др 2024. Компютри, захранвани от почвата: Ръководството на инженера за практическо проектиране на почвени микробни горивни клетки. Публикувано:12 януари 2024 г. Сборник на ACM за интерактивни, мобилни, носими и повсеместни технологии. Том 7 Брой 4 Статия №: 196 стр. 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Северозападен университет. Новини - Горивната клетка, задвижвана от мръсотия, работи вечно. Публикувано на 12 януари 2024 г. Налично на https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***