خلايا الوقود الميكروبية في التربة (SMFCs): التصميم الجديد يمكن أن يفيد البيئة والمزارعين 

الوقود الميكروبي للتربة خلايا تستخدم (SMFCs) البكتيريا الموجودة بشكل طبيعي في التربة لتوليد الكهرباء. وباعتبارها مصدرًا لامركزيًا طويل المدى للطاقة المتجددة، يمكن نشر SMFCs بشكل دائم للمراقبة في الوقت الفعلي لمختلف الظروف البيئية ويمكن أن تساهم أيضًا في نمو الدقة. زراعة والمدن الذكية. ومع ذلك، على الرغم من وجودها منذ أكثر من قرن من الزمان، إلا أن التطبيق العملي للمركبات SMFCs كان شبه معدوم بسبب عدم الاتساق في إنتاج الطاقة. في الوقت الحالي، لا يوجد SMFC يمكنه توليد الكهرباء بشكل مستمر خارج الظروف المائية ذات الرطوبة العالية. في دراسة حديثة، قام الباحثون بإنشاء ومقارنة إصدارات تصميم مختلفة ووجدوا أن تصميم الخلية العمودية يحسن الأداء ويجعل SMFCs أكثر مرونة للتغيرات في رطوبة التربة.   

الميكروبية خلايا الوقود (MFCs) هي مفاعلات حيوية تنتج الكهرباء عن طريق تحويل الطاقة في الروابط الكيميائية عضوي تحويل المركبات إلى طاقة كهربائية عن طريق التحفيز الحيوي بواسطة الميكروبات. يتم نقل الإلكترونات المنطلقة في حجرة الأنود عن طريق الأكسدة البكتيرية للركيزة إلى الكاثود حيث تتحد مع أيونات الأكسجين والهيدروجين.  

التفاعلات الكيميائية الحيوية تحت الظروف الهوائية، على سبيل المثال، للخلات كركيزة هي: 

تفاعل الأكسدة النصفي على الأنود 

CH₃COO^- + 3H₂يا → كو₂ + HCO₃^- + 8H⁺ + 8 هـ^-  

اختزال نصف التفاعل على الكاثود 

2 يا ₂ + 8 COXNUMX ⁺ + 8 ه ^-   → 4 ح ₂ O 

في البيئة اللاهوائية، يمكن للخلايا الجذعية السرطانية استخدام النفايات الحيوية كركيزة لإنتاج الكهرباء. 

تتمتع المراكز المالية المتعددة الأطراف بالقدرة على العمل كحل للقضايا البيئية المتعلقة بالطاقة المستدامة، الاحترار العالمي وإدارة النفايات الحيوية. إنها تتمتع بحجة قوية للتطبيق في المناطق التي لا ترقى فيها البطاريات الكيميائية العادية والألواح الشمسية إلى مستوى التوقعات، كما هو الحال في البنى التحتية الخضراء أو الأراضي العشبية أو الأراضي الرطبة أو تحت الأرض. في هذه المناطق، لا تعمل الألواح الشمسية ليلاً وعادةً ما تكون مغطاة بالتراب أو النباتات بينما المكونات الكيميائية بطاريات تتسرب إلى البيئة. الوقود الميكروبي للتربة خلايا (SMFCs) تأتي كمصدر مستدام للطاقة في مثل هذه المناطق في الزراعة والأراضي العشبية والغابات والأراضي القاحلة لتشغيل الأجهزة منخفضة الطاقة.  

تستخدم خلايا الوقود الميكروبية في التربة (SMFCs) البكتيريا الموجودة بشكل طبيعي في التربة لتوليد الكهرباء. في ظل الظروف المثالية، يمكن أن تنتج SMFCs ما يصل إلى 200 ميكروواط من الطاقة بجهد يبلغ 731 مللي فولت. وباعتبارها مصدرًا لامركزيًا طويل الأجل للطاقة المتجددة، يمكن نشر المراكز الصغيرة والمتوسطة الحجم بشكل دائم للمراقبة في الوقت الفعلي لمختلف الظروف البيئية وتوجيه السياسات. ويمكن أن تساهم هذه أيضًا في نمو المدن الذكية و المزارع.  

ومع ذلك، على الرغم من وجودها منذ أكثر من قرن من الزمان، إلا أن التطبيق العملي للمركبات SMFC على مستوى الأرض كان محدودًا للغاية. في الوقت الحالي، لا يوجد SMFC يمكنه توليد الكهرباء بشكل مستمر خارج الظروف المائية ذات الرطوبة العالية. ويعزى عدم الاتساق في إنتاج الطاقة إلى الاختلافات في الظروف البيئية، ورطوبة التربة، وأنواع التربة، والميكروبات التي تعيش في التربة وما إلى ذلك، ولكن التغيرات في رطوبة التربة لها تأثير أقصى على اتساق إنتاج الطاقة. تحتاج الخلايا إلى أن تظل رطبة ومؤكسجة بشكل كافٍ للحصول على إنتاج طاقة ثابت وهو ما قد يكون مشكلة صعبة عند دفنها تحت الأرض في الأوساخ الجافة.   

يعمل تصميم الخلية العمودية على تحسين الأداء ويجعل SMFCs أكثر مرونة في مواجهة التغيرات في رطوبة التربة.  

قامت دراسة حديثة (تتضمن عملية تصميم تكرارية مدتها سنتان مع تسعة أشهر من بيانات نشر SMFC) باختبار تصميمات الخلايا بشكل منهجي للوصول إلى إرشادات التصميم العامة. قام فريق البحث بإنشاء ومقارنة أربعة إصدارات مختلفة بما في ذلك التصميم التقليدي الذي يكون فيه كل من الكاثود والأنود متوازيين مع بعضهما البعض. تم العثور على التصميم الرأسي (الإصدار 2: اتجاه الأنود أفقيًا واتجاه الكاثود عموديًا) لخلية الوقود هو الأفضل أداءً. لقد عملت بشكل جيد في نطاق الرطوبة من حالة الغمر إلى حالة الجفاف إلى حد ما.  

في التصميم الرأسي، يتم دفن الأنود (المصنوع من الكربون لالتقاط الإلكترونات التي تطلقها البكتيريا) في التربة الرطبة بشكل عمودي على سطح الأرض بينما يوضع الكاثود (المصنوع من معدن موصل خامل) عموديًا فوق الأنود أفقيًا على الأرض المستوى الذي يكون فيه الأكسجين متاحًا بسهولة لإكمال نصف تفاعل الاختزال.  

كان خرج الطاقة للتصميم أعلى بشكل ملحوظ طوال المدة عندما غمرت الخلية بالماء. لقد كان يعمل بشكل جيد من حالة تحت الماء تمامًا إلى حالة جافة إلى حد ما (41٪ ماء من حيث الحجم) ومع ذلك كان لا يزال لديه متطلبات عالية لمحتوى الماء الحجمي (VWC) بنسبة 41٪ ليظل نشطًا.  

تتناول هذه الدراسة مسألة تتعلق بجانب تصميم SMFCs نحو تحسين الاتساق والمرونة لتغيرات الرطوبة. وبما أن المؤلفين قد أصدروا جميع التصميمات والبرامج التعليمية وأدوات المحاكاة للجمهور لاستخدامها والبناء عليها، فمن المأمول أن يترجم ذلك إلى تطبيقات أوسع في مجالات متنوعة مثل الزراعة الدقيقة في المستقبل القريب.  

*** 

المراجع:  

1. Vishwanathan AS, 2021. خلايا الوقود الميكروبية: مراجعة شاملة للمبتدئين. 3 التكنولوجيا الحيوية. 2021 مايو؛ 11 (5): 248. نُشرت على الإنترنت في 01 مايو 2021. معرف الهوية الرقمي: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. عشرة ب، وآخرون 2024. الحوسبة التي تعمل بالتربة: دليل المهندس لتصميم خلايا الوقود الميكروبية في التربة العملية. تم النشر:12 يناير 2024. وقائع ACM بشأن التقنيات التفاعلية والمتنقلة والقابلة للارتداء والمنتشرة في كل مكان. المجلد 7 العدد 4 المادة رقم: 196 ص 1-40. معرف الهوية الرقمي: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. جامعة نورث وسترن. الأخبار-خلايا الوقود التي تعمل بالطاقة الترابية تعمل إلى الأبد. تم النشر في 12 يناير 2024. متاح على https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***