Grondmikrobiese brandstofselle (SMFC's): Die nuwe ontwerp kan die omgewing en boere bevoordeel 

Die Grondmikrobiese Brandstofselle ( SMFC's) gebruik natuurlik voorkomende bakterieë in die grond om elektrisiteit op te wek. As 'n langtermyn, gedesentraliseerde bron van hernubare krag, kan die SMFC's voortdurend ontplooi word vir intydse monitering van verskeie omgewingstoestande en kan dit ook bydra tot die groei van presisieboerdery en slim stede. Ten spyte daarvan dat hulle al meer as 'n eeu bestaan, is die praktiese toepassing van SMFC's egter byna nie-bestaande as gevolg van teenstrydigheid in kraglewering. Tans is daar geen SMFC wat elektrisiteit konsekwent buite hoë vogtige watertoestande kan opwek nie. In 'n onlangse studie het die navorsers verskillende ontwerpweergawes geskep en vergelyk en gevind dat die vertikale selontwerp die werkverrigting verbeter en SMFC's meer veerkragtig maak teen veranderinge in grondvog.

Mikrobiese brandstofselle (MFK's) is bioreaktore wat elektrisiteit produseer deur die energie in die chemiese bindings van organiese verbindings in elektriese energie om te skakel deur middel van biokatalise deur mikrobes. Die elektrone wat in die anode-kompartement vrygestel word deur bakteriese oksidasie van die substraat word na die katode oorgedra waar hulle met suurstof- en waterstofione verbind.

Die biochemiese reaksies onder aërobiese toestande, byvoorbeeld, vir asetaat as substraat is: 

oksidasie halfreaksie op die anode 

CH3COO− ⁺ 3H2O → _CO2 + ^{HCO3− +} _8H + ⁺ 8e−_​​_​

reduksie halfreaksie op katode 

2 O ₂ + 8 H ⁺ + 8 e ⁻ → 4 H ₂ O

In anaërobiese omgewings kan MFC's bioafval as substraat gebruik om elektrisiteit te produseer. 

MFC's het die potensiaal om as 'n oplossing te dien vir omgewingskwessies van volhoubare energie, aardverwarming en bioafvalbestuur. Dit het 'n goeie argument vir toepassing in gebiede waar gewone chemiese batterye en sonpanele nie aan verwagtinge voldoen nie, soos in groen infrastruktuur, grasvelde, vleilande of ondergronds. In hierdie gebiede werk sonpanele nie snags nie en word hulle gewoonlik bedek deur grond of plantegroei terwyl bestanddele van chemiese batterye in die omgewing uitlek. Die grondmikrobiese brandstofselle ( SMFC's) dien as 'n volhoubare bron van energie in sulke gebiede in boerdery, grasveld, woude en braakland om lae-energie toestelle aan te dryf.

Die Grondmikrobiese Brandstofselle (SMFC's) gebruik natuurlik voorkomende bakterieë in die grond om elektrisiteit op te wek. Onder optimale toestande kan SMFC's tot 200 μW krag produseer met 'n spanning van 731 mV. As 'n langtermyn, gedesentraliseerde bron van hernubare krag, kan die SMFC's voortdurend ontplooi word vir intydse monitering van verskeie omgewingstoestande en beleid rig. Dit kan ook bydra tot die groei van slim stede en plase.

Alhoewel dit al meer as 'n eeu bestaan, was die praktiese toepassing van SMFC's op grondvlak egter baie beperk. Tans is daar geen SMFC wat elektrisiteit konsekwent buite hoë vog waterige toestande kan opwek nie. Die teenstrydigheid in kraguitset word toegeskryf aan verskille in omgewingstoestande, grondvog, tipes grond, mikrobes wat die grond bewoon, ens. maar veranderinge in grondvog het maksimum invloed op konsekwentheid van kraguitset. Die selle moet voldoende gehidreer en suurstof bly vir konsekwente kraglewering wat 'n moeilike kwessie kan wees wanneer dit ondergronds in droë grond begrawe word.   

Die vertikale selontwerp verbeter werkverrigting en maak SMFC's meer veerkragtig teen veranderinge in grondvog.  

'n Onlangse studie (wat 'n 2-jaar lange iteratiewe ontwerpproses met 'n gekombineerde nege maande se SMFC-ontplooiingsdata behels) het selontwerpe stelselmatig getoets om by algemene ontwerpriglyne uit te kom. Die navorsingspan het vier verskillende weergawes geskep en vergelyk, insluitend die tradisionele ontwerp waarin beide katode en anode parallel aan mekaar is. Daar is gevind dat die vertikale ontwerp (weergawe 3: anode-oriëntasie horisontaal en katode-oriëntasie loodreg) van die brandstofsel die beste presteer. Dit het goed gewerk in die vogreeks van oorstroomde toestand tot ietwat droë toestand.  

In vertikale ontwerp word die anode (gemaak van koolstof om die elektrone wat deur die bakterieë vrygestel word vas te vang) in die klam grond loodreg op die grond se oppervlak begrawe terwyl die katode (gemaak van 'n inerte, geleidende metaal) vertikaal bo-op die anode horisontaal by die grond sit. vlak waar suurstof geredelik beskikbaar is vir voltooiing van reduksie halfreaksie.  

Die kraguitset vir ontwerp was aansienlik hoër gedurende die duur wanneer die sel met water oorval is. Dit het goed gewerk vanaf heeltemal onderwater toestand tot ietwat droog (41% water per volume), maar dit het steeds 'n hoë 41% volumetriese waterinhoud (VWC) vereiste gehad om aktief te bly.  

Hierdie studie spreek vrae rakende ontwerpaspek van SMFC's aan om konsekwentheid en veerkragtigheid teen vogveranderinge te verbeter. Aangesien die skrywers alle ontwerpe, tutoriale en simulasie-instrumente aan die publiek vrygestel het om te gebruik en daarop voort te bou, behoort dit hopelik te vertaal na wyer toepassings in diverse gebiede soos in presisieboerdery in die nabye toekoms.  

*** 

Verwysings:  

1. Vishwanathan AS, 2021. Mikrobiese brandstofselle: 'n omvattende oorsig vir beginners. 3 Biotegnologie. 2021 Mei; 11(5): 248. Aanlyn gepubliseer 01 Mei 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. Tien B., et al 2024. Grondaangedrewe Rekenaarkunde: Die Ingenieursgids tot Praktiese Grondmikrobiese Brandstofselontwerp. Gepubliseer: 12 Januarie 2024. Verrigtinge van die ACM oor interaktiewe, mobiele, drabare en alomteenwoordige tegnologieë. Volume 7 Uitgawe 4Artikel No.: 196pp 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Noordwes Universiteit. Nuus-Vuil-aangedrewe brandstofsel loop vir ewig. Geplaas op 12 Januarie 2024. Beskikbaar by https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***