Soil Microbial Fuel Cells (SMFC'er): Det nye design kunne gavne miljøet og landmændene 

Jordens mikrobielle brændstof Celler (SMFC'er) bruger naturligt forekommende bakterier i jorden til at generere elektricitet. Som en langsigtet, decentraliseret kilde til vedvarende energi, kan SMFC'erne permanent udrulles til realtidsovervågning af forskellige miljøforhold og kan også bidrage til væksten af ​​præcision landbrug og smarte byer. På trods af at den har eksisteret i mere end et århundrede, har den praktiske anvendelse af SMFC'er været næsten ikke-eksisterende på grund af inkonsistens i udgangseffekten. I øjeblikket er der ingen SMFC, der konsekvent kan generere elektricitet uden for vandforhold med høj fugtighed. I en nylig undersøgelse skabte og sammenlignede forskerne forskellige designversioner og fandt ud af, at det vertikale celledesign forbedrer ydeevnen og gør SMFC'er mere modstandsdygtige over for ændringer i jordfugtighed.   

Mikrobiel brændstofceller (MFC'er) er bioreaktorer, der producerer elektricitet ved at omdanne energien i de kemiske bindinger af Økologisk forbindelser til elektrisk energi gennem biokatalyse af mikrober. Elektronerne frigivet i anoderummet ved bakteriel oxidation af substrat overføres til katoden, hvor de kombineres med oxygen- og hydrogenioner.  

De biokemiske reaktioner under aerobe forhold, for eksempel for acetat som substrat, er: 

oxidationshalvreaktion på anoden 

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

reduktion halvreaktion på katode 

Om 2 ₂ + 8 timer ⁺ + 8 e ^-   → 4H ₂ O 

I anaerobt miljø kan MFC'er bruge bioaffald som substrat til at producere elektricitet. 

MFC'er har potentiale til at tjene som en løsning på miljøspørgsmål vedrørende bæredygtig energi, global opvarmning og bioaffaldshåndtering. Den har en solid kasse til anvendelse i områder, hvor almindelige kemiske batterier og solpaneler ikke lever op til forventningerne, såsom i grønne infrastrukturer, græsarealer, vådområder eller under jorden. I disse områder fungerer solpaneler ikke om natten og bliver normalt dækket af snavs eller vegetationer, mens de er bestanddele af kemikalier batterier udvaskes i miljøet. Jordens mikrobielle brændstof Celler (SMFC'er) kommer som en bæredygtig energikilde i sådanne områder inden for landbrug, græsarealer, skove og ødemarker til at drive lavenergienheder.  

Jordens mikrobielle brændselsceller (SMFC'er) bruger naturligt forekommende bakterier i jorden til at generere elektricitet. Under optimale forhold kan SMFC'er producere op til 200 μW effekt med en spænding på 731 mV. Som en langsigtet, decentraliseret kilde til vedvarende energi, kan SMFC'erne permanent udrulles til realtidsovervågning af forskellige miljøforhold og vejlede politik. Disse kan også bidrage til væksten af ​​smarte byer og gårde.  

Men på trods af at den har eksisteret i mere end et århundrede, har den praktiske anvendelse af SMFC'er på jordoverfladen været meget begrænset. I øjeblikket er der ingen SMFC, der konsekvent kan generere elektricitet uden for vandforhold med høj fugtighed. Inkonsistensen i kraftudbyttet tilskrives forskelle i miljøforhold, jordfugtighed, jordtyper, mikrober, der bor i jorden osv., men ændringer i jordfugtighed har maksimal indflydelse på konsistensen af ​​udgangseffekten. Cellerne skal forblive tilstrækkeligt hydrerede og iltede for at opnå ensartet effekt, hvilket kan være et vanskeligt problem, når de begraves under jorden i tørt snavs.   

Det lodrette celledesign forbedrer ydeevnen og gør SMFC'er mere modstandsdygtige over for ændringer i jordfugtighed.  

En nylig undersøgelse (der involverer en 2-årig iterativ designproces med en kombineret ni måneders SMFC-udrulningsdata) har systematisk testet celledesign for at nå frem til generelle designretningslinjer. Forskerholdet skabte og sammenlignede fire forskellige versioner, inklusive det traditionelle design, hvor både katode og anode er parallelle med hinanden. Brændselscellens lodrette design (version 3: anodeorientering vandret og katodeorientering vinkelret) viste sig at være bedst ydende. Det fungerede godt i fugtområdet fra oversvømmet tilstand til noget tør tilstand.  

I lodret design er anoden (lavet af kulstof til at fange elektronerne frigivet af bakterierne) begravet i den fugtige jord vinkelret på jordens overflade, mens katoden (lavet af et inert, ledende metal) sidder lodret oven på anoden vandret ved jorden niveau, hvor oxygen er let tilgængeligt for fuldførelse af reduktionshalvreaktion.  

Udgangseffekten til design var signifikant højere i hele varigheden, da cellen blev oversvømmet med vand. Den fungerede godt fra fuldstændig undervandstilstand til noget tør (41 % vand efter volumen), men den havde stadig høje krav til 41 % volumetrisk vandindhold (VWC) for at forblive aktiv.  

Denne undersøgelse behandler spørgsmål vedrørende designaspektet af SMFC'er med henblik på at forbedre konsistens og modstandsdygtighed over for fugtændringer. Da forfatterne har frigivet alle designs, tutorials og simuleringsværktøjer til offentligheden til at bruge og bygge videre på, bør dette forhåbentlig oversættes til bredere applikationer inden for forskellige områder såsom i præcisionslandbrug i den nærmeste fremtid.  

*** 

Referencer:  

1. Vishwanathan AS, 2021. Mikrobielle brændselsceller: en omfattende anmeldelse for begyndere. 3 Biotek. maj 2021; 11(5): 248. Udgivet online 01. maj 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. Ti B., et al 2024. Soil-Powered Computing: The Engineer's Guide to Practical Soil Microbial Fuel Cell Design. Udgivet: 12. januar 2024. Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Bind 7, udgave 4, artikelnr.: 196 s. 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Northwestern University. Nyheder-Snavs-drevet brændselscelle kører for evigt. Opslået den 12. januar 2024. Tilgængelig på https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***