Dirvožemio mikrobinis kuras Ląstelės (SMFC) elektrai gaminti naudoja natūraliai dirvožemyje esančias bakterijas. Kaip ilgalaikis, decentralizuotas atsinaujinančios energijos šaltinis, SMFC galėtų būti nuolat naudojamas įvairių aplinkos sąlygų stebėjimui realiuoju laiku ir taip pat gali prisidėti prie tikslumo augimo. žemės ūkis ir išmanieji miestai. Tačiau nepaisant to, kad jie egzistuoja daugiau nei šimtmetį, praktinis SMFC pritaikymas beveik neegzistuoja dėl nenuoseklaus išėjimo galios. Šiuo metu nėra SMFC, kuris galėtų nuolat generuoti elektros energiją ne didelės drėgmės sąlygomis. Neseniai atliktame tyrime mokslininkai sukūrė ir palygino skirtingas dizaino versijas ir nustatė, kad vertikali ląstelių konstrukcija pagerina našumą ir daro SMFC atsparesnius dirvožemio drėgmės pokyčiams.
Mikrobai kuro elementai (MFC) yra bioreaktoriai, kurie gamina elektros energiją, konvertuodami energiją cheminiais ryšiais organinis junginiai virsta elektros energija per mikrobų biokatalizę. Elektronai, išsiskiriantys anodo skyriuje dėl substrato bakterinės oksidacijos, perkeliami į katodą, kur jie susijungia su deguonies ir vandenilio jonais.
Biocheminės reakcijos aerobinėmis sąlygomis, pavyzdžiui, acetatui kaip substratui, yra:
Oksidacijos pusinė reakcija ant anodo
CH3COO- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ +8e-
redukcijos pusinė reakcija ant katodo
2 m 2 + 8H + + 8 - → 4 H. 2 O
Anaerobinėje aplinkoje MFC gali naudoti biologines atliekas kaip substratą elektrai gaminti.
MFC gali padėti išspręsti tvarios energijos aplinkosaugos problemas, globalinis atšilimas ir biologinių atliekų tvarkymas. Jis puikiai tinka naudoti tose vietose, kur įprastos cheminės baterijos ir saulės baterijos neatitinka lūkesčių, pavyzdžiui, žaliojoje infrastruktūroje, pievose, pelkėse ar po žeme. Šiose vietose saulės baterijos neveikia naktį ir dažniausiai būna padengtos nešvarumų ar augmenijos, o jose yra cheminių medžiagų. baterijos išplauti į aplinką. Dirvožemio mikrobinis kuras Ląstelės (SMFC) yra tvarus energijos šaltinis tokiose žemės ūkio srityse, pievose, miškuose ir dykvietėse, kad būtų galima maitinti mažai energijos naudojančius įrenginius.
Dirvožemio mikrobų kuro elementai (SMFC) naudoja natūraliai dirvožemyje esančias bakterijas elektros energijai gaminti. Optimaliomis sąlygomis SMFC gali pagaminti iki 200 μW galios su 731 mV įtampa. Kaip ilgalaikis, decentralizuotas atsinaujinančios energijos šaltinis, SMFC galėtų būti nuolat naudojamas įvairių aplinkos sąlygų stebėjimui realiuoju laiku ir vadovaujantis politika. Tai taip pat gali prisidėti prie išmaniųjų miestų augimo ir ūkiuose.
Tačiau, nepaisant to, kad jie egzistuoja daugiau nei šimtmetį, praktinis SMFC taikymas žemės lygyje buvo labai ribotas. Šiuo metu nėra SMFC, kuris galėtų nuolat generuoti elektros energiją ne didelės drėgmės sąlygomis. Galios nenuoseklumas yra susijęs su aplinkos sąlygų skirtumais, dirvožemio drėgme, dirvožemio tipais, dirvožemyje gyvenančiais mikrobais ir kt., tačiau dirvožemio drėgmės pokyčiai turi didžiausią įtaką išeinančios galios pastovumui. Ląstelės turi išlikti pakankamai hidratuotos ir prisotintos deguonimi, kad būtų pastovi galia, o tai gali būti sudėtinga problema, kai jos yra palaidotos po žeme sausame purve.
Vertikali ląstelių konstrukcija pagerina našumą ir daro SMFC atsparesnius dirvožemio drėgmės pokyčiams.
Neseniai atliktame tyrime (su 2 metų trukmės kartotiniu projektavimo procesu su bendrais devynių mėnesių SMFC diegimo duomenimis) buvo sistemingai išbandytas ląstelių dizainas, siekiant gauti bendrąsias projektavimo gaires. Mokslininkų komanda sukūrė ir palygino keturias skirtingas versijas, įskaitant tradicinį dizainą, kuriame katodas ir anodas yra lygiagrečiai vienas kitam. Nustatyta, kad vertikalus kuro elemento dizainas (3 versija: anodo orientacija horizontaliai ir katodo orientacija statmena) buvo geriausiai veikianti. Jis gerai veikė esant drėgnoms sąlygoms nuo užtvindytų iki šiek tiek sausų sąlygų.
Vertikalios konstrukcijos anodas (pagamintas iš anglies, kad gautų bakterijų išskiriamus elektronus) yra palaidotas drėgnoje dirvoje statmenai žemės paviršiui, o katodas (pagamintas iš inertiško, laidžiojo metalo) yra vertikaliai ant anodo, horizontaliai prie žemės. lygis, kuriame deguonis yra lengvai prieinamas redukcijos pusės reakcijai užbaigti.
Projektavimo galia buvo žymiai didesnė visą laiką, kai elementas buvo užtvindytas vandeniu. Jis veikė gerai nuo visiškai povandeninės būklės iki šiek tiek sauso (41 % vandens pagal tūrį), tačiau vis tiek turėjo aukštą 41 % tūrinio vandens kiekio (VWC) reikalavimą, kad jis išliktų aktyvus.
Šiame tyrime nagrinėjamas klausimas dėl SMFC projektavimo aspekto, siekiant pagerinti nuoseklumą ir atsparumą drėgmės pokyčiams. Kadangi autoriai išleido visus dizainus, mokymo programas ir modeliavimo įrankius visuomenei, kad jie galėtų naudoti ir remtis, tikimasi, kad artimiausiu metu tai turėtų būti pritaikyta plačiau įvairiose srityse, pavyzdžiui, tiksliajame ūkininkavime.
***
Nuorodos:
- Vishwanathan AS, 2021. Mikrobiniai kuro elementai: išsami apžvalga pradedantiesiems. 3 Biotechnologijos. 2021 m. gegužės mėn.; 11(5): 248. Paskelbta internete 01 m. gegužės 2021 d. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Dešimt B., et al 2024. Dirvožemio varomas kompiuteris: Praktinio dirvožemio mikrobų kuro elementų projektavimo inžinieriaus vadovas. Paskelbta: 12 m. sausio 2024 d. ACM byla dėl interaktyvių, mobiliųjų, nešiojamų ir visur naudojamų technologijų. 7 tomas 4 leidimas Straipsnio Nr.: 196psl 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Šiaurės Vakarų universitetas. Naujienos – purvu varomas kuro elementas veikia amžinai. Paskelbta 12 m. sausio 2024 d https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
