Qelizat e karburantit mikrobial të tokës (SMFC): Dizajni i ri mund të përfitojë mjedisin dhe fermerët 

Karburanti mikrobial i tokës Qelizat (SMFCs) përdorin bakteret që ndodhin natyrshëm në tokë për të gjeneruar energji elektrike. Si një burim afatgjatë dhe i decentralizuar i energjisë së rinovueshme, SMFC-të mund të vendosen vazhdimisht për monitorimin në kohë reale të kushteve të ndryshme mjedisore dhe gjithashtu mund të kontribuojnë në rritjen e saktësisë. bujqësi dhe qytete të zgjuara. Megjithatë, pavarësisht se ekziston për më shumë se një shekull, aplikimi praktik i SMFC-ve ka qenë pothuajse inekzistent për shkak të mospërputhjes në prodhimin e energjisë. Aktualisht, nuk ka asnjë SMFC që mund të gjenerojë energji elektrike vazhdimisht jashtë kushteve ujore me lagështi të lartë. Në një studim të fundit, studiuesit krijuan dhe krahasuan versione të ndryshme të projektimit dhe zbuluan se dizajni vertikal i qelizave përmirëson performancën dhe i bën SMFC-të më elastike ndaj ndryshimeve në lagështinë e tokës.   

microbial qelizat e karburantit (MFCs) janë bioreaktorë që prodhojnë energji elektrike duke konvertuar energjinë në lidhjet kimike të organik komponimet në energji elektrike përmes biokatalizimit nga mikrobet. Elektronet e lëshuara në ndarjen e anodës nga oksidimi bakterial i substratit transferohen në katodë ku kombinohen me jonet e oksigjenit dhe hidrogjenit.  

Reaksionet biokimike në kushte aerobike, për shembull, për acetatin si substrat janë: 

gjysmëreaksioni i oksidimit në anodë 

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

gjysmëreaksioni i reduktimit në katodë 

2 ₂ + 8 orë ⁺ + 8-të ^-   H 4 orë ₂ O 

Në mjedisin anaerobik, MFC-të mund të përdorin mbetjet biologjike si substrat për të prodhuar energji elektrike. 

MFC-të kanë potencial për të shërbyer si një zgjidhje për çështjet mjedisore të energjisë së qëndrueshme, ngrohja globale dhe menaxhimin e mbetjeve biologjike. Ka një rast të fortë për aplikim në zonat ku bateritë e zakonshme kimike dhe panelet diellore janë jashtë pritshmërive, si në infrastrukturat e gjelbra, kullotat, ligatinat ose nëntokën. Në këto zona, panelet diellore nuk punojnë gjatë natës dhe zakonisht mbulohen nga papastërtitë ose bimësia, ndërsa përbërësit e kimikateve bateri kullimi në mjedis. Karburanti mikrobial i tokës Qelizat (SMFCs) vijnë si një burim i qëndrueshëm energjie në zona të tilla në bujqësi, kullota, pyje dhe djerrina për të fuqizuar pajisjet me energji të ulët.  

Qelizat e karburantit mikrobial të tokës (SMFCs) përdorin baktere që ndodhin natyrshëm në tokë për të gjeneruar energji elektrike. Në kushte optimale, SMFC-të mund të prodhojnë deri në 200 μW fuqi me një tension prej 731 mV. Si një burim afatgjatë dhe i decentralizuar i energjisë së rinovueshme, SMFC-të mund të vendosen vazhdimisht për monitorimin në kohë reale të kushteve të ndryshme mjedisore dhe politikat udhëzuese. Këto gjithashtu mund të kontribuojnë në rritjen e qyteteve inteligjente dhe ferma.  

Megjithatë, pavarësisht se ekziston për më shumë se një shekull, aplikimi praktik i SMFC-ve në nivelin e tokës ka qenë shumë i kufizuar. Aktualisht, nuk ka asnjë SMFC që mund të gjenerojë energji elektrike vazhdimisht jashtë kushteve ujore me lagështi të lartë. Mospërputhja në fuqinë dalëse i atribuohet ndryshimeve në kushtet e mjedisit, lagështisë së tokës, llojeve të tokës, mikrobeve që banojnë në tokë etj. por ndryshimet në lagështinë e tokës kanë ndikim maksimal në qëndrueshmërinë e fuqisë dalëse. Qelizat duhet të mbeten të hidratuara dhe të oksigjenuara në mënyrë adekuate për prodhim të qëndrueshëm të energjisë, gjë që mund të jetë një çështje e vështirë kur varroset nën tokë në papastërti të thatë.   

Dizajni vertikal i qelizës përmirëson performancën dhe i bën SMFC-të më elastike ndaj ndryshimeve në lagështinë e tokës.  

Një studim i kohëve të fundit (që përfshin një proces projektimi përsëritës 2-vjeçar me të dhëna të kombinuara nëntë muaj të vendosjes së SMFC) ka testuar sistematikisht modelet e qelizave për të arritur në udhëzimet e përgjithshme të projektimit. Ekipi hulumtues krijoi dhe krahasoi katër versione të ndryshme duke përfshirë dizajnin tradicional në të cilin të dyja katoda dhe anoda janë paralele me njëra-tjetrën. Dizajni vertikal (versioni 3: orientimi i anodës horizontale dhe orientimi i katodës pingul) i qelizës së karburantit rezultoi të ishte performanca më e mirë. Ajo funksionoi mirë në diapazonin e lagështisë së gjendjes së përmbytur deri në gjendje disi të thatë.  

Në dizajnin vertikal, anoda (e bërë nga karboni për të kapur elektronet e lëshuara nga bakteret) groposet në tokë të lagësht pingul me sipërfaqen e tokës, ndërsa katoda (e bërë nga një metal inert, përçues) qëndron vertikalisht sipër anodës horizontalisht në tokë. niveli ku oksigjeni është lehtësisht i disponueshëm për përfundimin e gjysmës së reaksionit të reduktimit.  

Fuqia e prodhimit për dizajn ishte dukshëm më e lartë gjatë gjithë kohëzgjatjes kur qelia u përmbyt me ujë. Ai funksiononte mirë nga gjendja plotësisht nënujore deri në disi të thatë (41% ujë nga vëllimi) megjithatë kishte ende kërkesë të lartë 41% të përmbajtjes vëllimore të ujit (VWC) për të mbetur aktiv.  

Ky studim trajton pyetjen në lidhje me aspektin e projektimit të SMFC-ve drejt përmirësimit të qëndrueshmërisë dhe elasticitetit ndaj ndryshimeve të lagështisë. Meqenëse autorët kanë lëshuar të gjitha dizajnet, mësimet dhe mjetet e simulimit për publikun për t'i përdorur dhe ndërtuar mbi të, shpresojmë që kjo të përkthehet në aplikime më të gjera në fusha të ndryshme, si p.sh. në bujqësi me precizion në të ardhmen e afërt.  

*** 

Referencat:  

1. Vishwanathan AS, 2021. Qelizat e karburantit mikrobial: një përmbledhje gjithëpërfshirëse për fillestarët. 3 Bioteknologjia. maj 2021; 11(5): 248. Publikuar në internet 01 maj 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. Dhjetë B., et al 2024. Llogaritja me energji nga toka: Udhëzuesi i Inxhinierit për Dizajnimin Praktik të Qelizës së Karburantit Mikrobial të Tokës. Publikuar:12 Janar 2024. Procedurat e ACM mbi teknologjitë interaktive, celulare, të veshura dhe kudo. Vëllimi 7 Çështja 4Artikulli Nr.: 196fq 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Universiteti Veriperëndimor. Lajme-Qeliza e karburantit me energji nga papastërtia funksionon përgjithmonë. Postuar më 12 janar 2024. Në dispozicion në https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***