Augsnes mikrobu degviela Šūnas (SMFC) elektroenerģijas ražošanai izmanto augsnē dabiski sastopamas baktērijas. Kā ilgtermiņa, decentralizēts atjaunojamās enerģijas avots, SMFC varētu pastāvīgi izmantot dažādu vides apstākļu reāllaika uzraudzībai, un tie var arī veicināt precizitātes pieaugumu. lauksaimniecība un viedās pilsētas. Tomēr, neskatoties uz to, ka SMFC pastāv jau vairāk nekā gadsimtu, SMFC praktiskā pielietošana ir gandrīz nepastāvējusi izvades nekonsekvences dēļ. Pašlaik nav neviena SMFC, kas varētu pastāvīgi ražot elektroenerģiju ārpus augsta mitruma un ūdens apstākļiem. Nesenā pētījumā pētnieki izveidoja un salīdzināja dažādas dizaina versijas un atklāja, ka vertikālais šūnu dizains uzlabo veiktspēju un padara SMFC izturīgākus pret augsnes mitruma izmaiņām.
Mikrobiāls degvielas šūnas (MFC) ir bioreaktori, kas ražo elektroenerģiju, pārveidojot enerģiju ķīmiskajās saitēs bioloģisks savienojumi nonāk elektroenerģijā, izmantojot mikrobu veikto biokatalīzi. Elektroni, kas atbrīvoti anoda nodalījumā substrāta baktēriju oksidācijas rezultātā, tiek pārnesti uz katodu, kur tie savienojas ar skābekļa un ūdeņraža joniem.
Bioķīmiskās reakcijas aerobos apstākļos, piemēram, acetātam kā substrātam, ir:
oksidācijas pusreakcija uz anoda
CH3dūdot- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ +8e-
samazināšanas pusreakcija uz katoda
2 O 2 + 8 stundas + + 8 - → 4 H 2 O
Anaerobā vidē MFC var izmantot bioatkritumus kā substrātu elektroenerģijas ražošanai.
MFC ir potenciāls kalpot kā risinājums ilgtspējīgas enerģijas vides problēmām, globālā sasilšana un bioatkritumu apsaimniekošana. Tam ir stabils korpuss izmantošanai vietās, kur parastās ķīmiskās baterijas un saules paneļi neatbilst gaidītajam, piemēram, zaļajā infrastruktūrā, zālājos, mitrājos vai pazemē. Šajos apgabalos saules paneļi nedarbojas naktī un parasti tiek pārklāti ar netīrumiem vai veģetāciju, kamēr tie ir ķīmisko vielu sastāvdaļas akumulatori izskaloties vidē. Augsnes mikrobu degviela Šūnas (SMFC) ir ilgtspējīgs enerģijas avots šādās jomās lauksaimniecībā, zālājos, mežos un tuksnesī, lai darbinātu zema enerģijas patēriņa ierīces.
Augsnes mikrobu kurināmā elementi (SMFC) elektroenerģijas ražošanai izmanto augsnē dabiski sastopamas baktērijas. Optimālos apstākļos SMFC var saražot līdz 200 μW jaudu ar 731 mV spriegumu. Kā ilgtermiņa, decentralizēts atjaunojamās enerģijas avots, SMFC varētu pastāvīgi izmantot dažādu vides apstākļu reāllaika uzraudzībai un vadlīniju politikai. Tie var arī veicināt viedo pilsētu izaugsmi un saimniecības.
Tomēr, neskatoties uz to, ka tie pastāv jau vairāk nekā gadsimtu, SMFC praktiskā pielietošana zemes līmenī ir bijusi ļoti ierobežota. Pašlaik nav neviena SMFC, kas varētu pastāvīgi ražot elektroenerģiju ārpus augsta mitruma un ūdens apstākļiem. Izejas jaudas nekonsekvence ir saistīta ar atšķirībām vides apstākļos, augsnes mitrumā, augsnes tipiem, augsnē mītošajiem mikrobiem utt., bet augsnes mitruma izmaiņas maksimāli ietekmē jaudas konsekvenci. Šūnām ir jāpaliek adekvāti hidratētām un piesātinātām ar skābekli, lai nodrošinātu pastāvīgu jaudu, kas var būt sarežģīta problēma, ja tās tiek apraktas zem zemes sausos netīrumos.
Vertikālā šūnu konstrukcija uzlabo veiktspēju un padara SMFC izturīgākus pret augsnes mitruma izmaiņām.
Nesen veiktā pētījumā (ietverot 2 gadus ilgu iteratīvu projektēšanas procesu ar apvienotiem deviņu mēnešu SMFC izvietošanas datiem) ir sistemātiski pārbaudīti šūnu dizaini, lai iegūtu vispārīgas projektēšanas vadlīnijas. Pētnieku komanda izveidoja un salīdzināja četras dažādas versijas, tostarp tradicionālo dizainu, kurā gan katods, gan anods ir paralēli viens otram. Tika konstatēts, ka kurināmā elementa vertikālais dizains (3. versija: anoda orientācija horizontāli un katoda orientācija perpendikulāri) ir vislabākais. Tas labi darbojās mitruma diapazonā no appludināta līdz nedaudz sausam stāvoklim.
Vertikālā konstrukcijā anods (izgatavots no oglekļa, lai uztvertu baktēriju atbrīvotos elektronus) tiek aprakts mitrā augsnē perpendikulāri zemes virsmai, bet katods (izgatavots no inerta, vadoša metāla) atrodas vertikāli virs anoda horizontāli pie zemes. līmenis, kurā skābeklis ir viegli pieejams reducēšanas pusreakcijas pabeigšanai.
Projektēšanas jauda bija ievērojami lielāka visu laiku, kad šūna tika appludināta ar ūdeni. Tas darbojās labi no pilnīgi zemūdens stāvokļa līdz nedaudz sausam (41% ūdens pēc tilpuma), tomēr tai joprojām bija augsts 41% tilpuma ūdens saturs (VWC), lai tas paliktu aktīvs.
Šis pētījums risina jautājumu par SMFC dizaina aspektu, lai uzlabotu konsistenci un noturību pret mitruma izmaiņām. Tā kā autori ir izlaiduši sabiedrībai visus dizainus, apmācības un simulācijas rīkus, lai tos izmantotu un uz tiem balstītos, cerams, ka tuvākajā nākotnē tas tiks pārvērsts plašākā pielietojumā dažādās jomās, piemēram, precīzajā lauksaimniecībā.
***
Norādes:
- Vishwanathan AS, 2021. Mikrobu degvielas šūnas: visaptverošs pārskats iesācējiem. 3 Biotehnoloģijas. 2021. gada maijs; 11(5): 248. Publicēts tiešsaistē 01. gada 2021. maijā. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Desmit B., un citi 2024. Augsnes darbināma skaitļošana: inženiera rokasgrāmata praktiskai augsnes mikrobu kurināmā elementu projektēšanai. Publicēts: 12. gada 2024. janvārī. Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. 7. sējums 4. izdevums Raksta Nr.: 196 lpp. 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Ziemeļrietumu universitāte. Jaunumi — ar netīrumiem darbināma degvielas šūna darbojas mūžīgi. Ievietots 12. gada 2024. janvārī. Pieejams plkst https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
