Jordmikrobielle brenselceller (SMFC): Det nye designet kan være til fordel for miljøet og bønder 

Jordens mikrobielle drivstoff Celler (SMFC) bruker naturlig forekommende bakterier i jorda for å generere elektrisitet. Som en langsiktig, desentralisert kilde til fornybar kraft, kan SMFC-ene utplasseres evig for sanntidsovervåking av ulike miljøforhold og kan også bidra til vekst av presisjon oppdrett og smarte byer. Til tross for at den har eksistert i over et århundre, har den praktiske anvendelsen av SMFC-er vært nesten ikke-eksisterende på grunn av inkonsekvens i kraftuttaket. For øyeblikket er det ingen SMFC som kan generere elektrisitet konsekvent utenfor vannholdige forhold med høy fuktighet. I en fersk studie har forskerne laget og sammenlignet forskjellige designversjoner og funnet at den vertikale celledesignen forbedrer ytelsen og gjør SMFC-er mer motstandsdyktige mot endringer i jordfuktighet.   

mikrobiell brenselsceller (MFC) er bioreaktorer som produserer elektrisitet ved å omdanne energien i de kjemiske bindingene til organisk forbindelser til elektrisk energi gjennom biokatalyse av mikrober. Elektronene som frigjøres i anoderommet ved bakteriell oksidasjon av substrat overføres til katode hvor de kombineres med oksygen og hydrogenioner.  

De biokjemiske reaksjonene under aerobe forhold, for eksempel for acetat som substrat, er: 

oksidasjonshalvreaksjon på anoden 

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

reduksjonshalvreaksjon på katode 

om 2 ₂ + 8 t ⁺ + 8 nd ^-   → 4H ₂ O 

I anaerobt miljø kan MFC-er bruke bioavfall som substrat for å produsere elektrisitet. 

MFC-er har potensial til å tjene som en løsning på miljøspørsmål om bærekraftig energi, global oppvarming og bioavfallshåndtering. Den har en solid kasse for bruk i områder der vanlige kjemiske batterier og solcellepaneler ikke lever opp til forventningene, for eksempel i grønn infrastruktur, gressletter, våtmarker eller underjordiske. I disse områdene fungerer ikke solcellepaneler om natten og blir vanligvis dekket av smuss eller vegetasjoner mens de inneholder kjemikalier batterier lekke ut i miljøet. Jordens mikrobielle drivstoff Celler (SMFC) kommer som en bærekraftig energikilde i slike områder i jordbruk, gressletter, skog og ødemark for å drive lavenergienheter.  

Soil Microbial Fuel Cells (SMFC) bruker naturlig forekommende bakterier i jorda for å generere elektrisitet. Under optimale forhold kan SMFC-er produsere opptil 200 μW effekt med en spenning på 731 mV. Som en langsiktig, desentralisert kilde til fornybar kraft, kan SMFC-ene utplasseres evig for sanntidsovervåking av ulike miljøforhold og veilede politikk. Disse kan også bidra til vekst av smarte byer og gårder.  

Til tross for at den har eksistert i over et århundre, har den praktiske anvendelsen av SMFC-er på bakkenivå vært svært begrenset. For øyeblikket er det ingen SMFC som kan generere elektrisitet konsekvent utenfor vannholdige forhold med høy fuktighet. Inkonsistensen i kraftproduksjonen tilskrives forskjeller i miljøforhold, jordfuktighet, jordtyper, mikrober som bor i jorda osv., men endringer i jordfuktighet har maksimal betydning for konsistensen av kraftuttaket. Cellene må forbli tilstrekkelig hydrerte og oksygenerte for konsistent kraftutgang, noe som kan være et vanskelig problem når de begraves under jorden i tørt skitt.   

Den vertikale celledesignen forbedrer ytelsen og gjør SMFC-er mer motstandsdyktige mot endringer i jordfuktighet.  

En fersk studie (som involverer en 2 år lang iterativ designprosess med en kombinert ni måneder med SMFC-distribusjonsdata) har systematisk testet celledesign for å komme frem til generelle designretningslinjer. Forskerteamet skapte og sammenlignet fire forskjellige versjoner inkludert den tradisjonelle designen der både katode og anode er parallelle med hverandre. Den vertikale utformingen (versjon 3: anodeorientering horisontal og katodeorientering vinkelrett) til brenselcellen ble funnet å gi best ytelse. Det fungerte bra i fuktighetsområdet fra oversvømt tilstand til noe tørr tilstand.  

Ved vertikal design er anoden (laget av karbon for å fange opp elektronene frigjort av bakteriene) begravd i den fuktige jorda vinkelrett på bakkens overflate mens katoden (laget av et inert, ledende metall) sitter vertikalt oppå anoden horisontalt ved bakken nivå der oksygen er lett tilgjengelig for fullføring av reduksjonshalvreaksjonen.  

Utgangseffekten for design var betydelig høyere gjennom hele varigheten da cellen ble oversvømmet med vann. Den fungerte bra fra fullstendig undervannstilstand til noe tørr (41 % vann i volum), men den hadde fortsatt høye krav til 41 % volumetrisk vanninnhold (VWC) for å forbli aktiv.  

Denne studien tar opp spørsmål angående designaspektet av SMFC-er for å forbedre konsistensen og motstandskraften mot fuktendringer. Siden forfatterne har gitt ut alle design, opplæringsprogrammer og simuleringsverktøy til publikum for å bruke og bygge videre på, bør dette forhåpentligvis oversettes til bredere applikasjoner på forskjellige områder, for eksempel i presisjonslandbruk i nær fremtid.  

*** 

Referanser:  

1. Vishwanathan AS, 2021. Mikrobielle brenselceller: en omfattende gjennomgang for nybegynnere. 3 Bioteknologi. mai 2021; 11(5): 248. Publisert online 01. mai 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. Ti B., et al 2024. Soil-Powered Computing: Ingeniørens veiledning til praktisk jordmikrobiell brenselcelledesign. Publisert: 12. januar 2024. Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Bind 7, utgave 4, artikkelnr.: 196 s. 1–40. GJØR JEG: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Northwestern University. Nyheter-Smussdrevet brenselcelle går for alltid. Lagt ut 12. januar 2024. Tilgjengelig på https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***