Հողի մանրէաբանական վառելիք Բջիջներ (SMFCs) օգտագործում են հողում բնական բակտերիաներ՝ էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար: Որպես վերականգնվող էներգիայի երկարաժամկետ, ապակենտրոնացված աղբյուր, SMFC-ները կարող են մշտապես տեղակայվել շրջակա միջավայրի տարբեր պայմանների իրական ժամանակի մոնիտորինգի համար և կարող են նաև նպաստել ճշգրտության աճին: հողագործություն և խելացի քաղաքներ: Այնուամենայնիվ, չնայած գոյություն ունենալով ավելի քան մեկ դար, SMFC-ների գործնական կիրառումը գրեթե բացակայում է էներգիայի թողարկման անհամապատասխանության պատճառով: Ներկայումս չկա SMFC, որը կարող է անընդհատ էլեկտրաէներգիա արտադրել բարձր խոնավության ջրային պայմաններից դուրս: Վերջերս կատարված ուսումնասիրության ժամանակ հետազոտողները ստեղծեցին և համեմատեցին տարբեր դիզայնի տարբերակներ և պարզեցին, որ ուղղահայաց բջիջների դիզայնը բարելավում է կատարումը և SMFC-ները դարձնում ավելի դիմացկուն հողի խոնավության փոփոխություններին:
Մանրէաբանական վառելիքի բջիջներ (MFCs) կենսառեակտորներ են, որոնք արտադրում են էլեկտրաէներգիա՝ փոխակերպելով էներգիան քիմիական կապերում օրգանական միացությունները վերածվում են էլեկտրական էներգիայի միկրոբների կողմից կենսակատալիզի միջոցով: Անոդի խցիկում թողարկված էլեկտրոնները սուբստրատի բակտերիալ օքսիդացումից տեղափոխվում են կաթոդ, որտեղ դրանք միավորվում են թթվածնի և ջրածնի իոնների հետ:
Կենսաքիմիական ռեակցիաները աերոբիկ պայմաններում, օրինակ, ացետատի համար որպես սուբստրատ, հետևյալն են.
օքսիդացման կիսա-ռեակցիան անոդի վրա
CH3COO- ն- + 3 Հ2O → CO2 + HCO3- + 8 Հ+ +8e-
նվազեցման կես ռեակցիա կաթոդի վրա
2 O 2 + 8 Հ + + 8 -րդ - → 4 ժամ 2 O
Անաէրոբ միջավայրում MFC-ները կարող են օգտագործել կենսաթափոնները որպես հիմք՝ էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար:
MFC-ները ներուժ ունեն ծառայելու որպես կայուն էներգիայի բնապահպանական խնդիրների լուծում, գլոբալ տաքացում և կենսաթափոնների կառավարում։ Այն ունի ամուր գործ՝ կիրառելու այն տարածքներում, որտեղ սովորական քիմիական մարտկոցները և արևային մարտկոցները չեն համապատասխանում ակնկալիքներին, օրինակ՝ կանաչ ենթակառուցվածքներում, խոտհարքներում, խոնավ վայրերում կամ ստորգետնյա տարածքում: Այս տարածքներում արևային մարտկոցները չեն աշխատում գիշերը և սովորաբար ծածկվում են կեղտով կամ բուսականությամբ, մինչդեռ քիմիական բաղադրամասերը մարտկոցներ ներթափանցել շրջակա միջավայր: Հողի մանրէաբանական վառելիք Բջիջներ (SMFC-ները) գալիս են որպես էներգիայի կայուն աղբյուր գյուղատնտեսության, խոտածածկ տարածքների, անտառների և ամայի տարածքներում՝ ցածր էներգիայի սարքերը սնուցելու համար:
Հողի մանրէաբանական վառելիքի բջիջները (SMFC) օգտագործում են հողում բնական բակտերիաներ՝ էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար: Օպտիմալ պայմաններում SMFC-ները կարող են արտադրել մինչև 200 մկՎտ հզորություն 731 մՎ լարման դեպքում: Որպես վերականգնվող էներգիայի երկարաժամկետ, ապակենտրոնացված աղբյուր՝ SMFC-ները կարող են մշտապես կիրառվել բնապահպանական տարբեր պայմանների իրական ժամանակում մոնիտորինգի և ուղղորդող քաղաքականության համար: Սրանք կարող են նաև նպաստել խելացի քաղաքների աճին և ֆերմերները.
Այնուամենայնիվ, չնայած գոյություն ունենալով ավելի քան մեկ դար, SMFC-ների գործնական կիրառումը հողի մակարդակում շատ սահմանափակ է եղել: Ներկայումս չկա SMFC, որը կարող է հետևողականորեն էլեկտրաէներգիա արտադրել բարձր խոնավության ջրային պայմաններից դուրս: Էլեկտրաէներգիայի արտադրության անհամապատասխանությունը պայմանավորված է շրջակա միջավայրի պայմանների, հողի խոնավության, հողի տեսակների, հողում բնակվող մանրէների և այլնի տարբերություններով, սակայն հողի խոնավության փոփոխությունները առավելագույն ազդեցություն ունեն էներգիայի թողարկման հետևողականության վրա: Բջիջները պետք է մնան բավարար չափով խոնավացված և թթվածնով հագեցած էներգիայի կայուն թողարկման համար, ինչը կարող է դժվար խնդիր լինել, երբ թաղված են գետնի տակ չոր կեղտի մեջ:
Ուղղահայաց բջիջների դիզայնը բարելավում է կատարումը և SMFC-ները դարձնում է ավելի դիմացկուն հողի խոնավության փոփոխություններին:
Վերջին ուսումնասիրությունը (որը ներառում է 2 տարի տևողությամբ կրկնվող նախագծման գործընթաց՝ SMFC-ի տեղակայման տվյալների համակցված ինը ամիսներով) համակարգված կերպով փորձարկել է բջիջների դիզայնը՝ ընդհանուր նախագծման ուղեցույցներին հասնելու համար: Հետազոտական թիմը ստեղծել և համեմատել է չորս տարբեր տարբերակներ, ներառյալ ավանդական դիզայնը, որտեղ և՛ կաթոդը, և՛ անոդը զուգահեռ են միմյանց: Պարզվել է, որ վառելիքի բջիջի ուղղահայաց ձևավորումը (տարբերակ 3. անոդի կողմնորոշումը հորիզոնական և կաթոդի կողմնորոշումը ուղղահայաց) լավագույն արդյունքն է: Այն լավ էր աշխատում խոնավության միջակայքում՝ ջրհեղեղից մինչև փոքր-ինչ չոր վիճակում:
Ուղղահայաց ձևավորման մեջ անոդը (ածխածնից պատրաստված բակտերիաների կողմից արձակված էլեկտրոնները գրավելու համար) թաղված է խոնավ հողի մեջ՝ գետնի մակերևույթին ուղղահայաց, մինչդեռ կաթոդը (պատրաստված է իներտ, հաղորդիչ մետաղից) ուղղահայաց նստած է անոդի վրա՝ հորիզոնական դիրքով գետնին։ մակարդակ, որտեղ թթվածինը հասանելի է վերականգնողական կես ռեակցիան ավարտելու համար:
Դիզայնի համար ելքային հզորությունը զգալիորեն ավելի բարձր էր ողջ տևողության ընթացքում, երբ բջիջը լցված էր ջրով: Այն լավ էր աշխատում ամբողջովին ստորջրյա վիճակից մինչև փոքր-ինչ չոր (41% ջուր ըստ ծավալի), սակայն այն դեռևս ուներ 41% ծավալային ջրի պարունակության (VWC) բարձր պահանջ՝ ակտիվ մնալու համար:
Այս ուսումնասիրությունը անդրադառնում է SMFC-ների նախագծման ասպեկտին առնչվող հարցին՝ խոնավության փոփոխություններին հետևողականության և ճկունության բարելավման ուղղությամբ: Քանի որ հեղինակները հրապարակել են բոլոր նախագծերը, ձեռնարկները և սիմուլյացիոն գործիքները հանրությանը, որպեսզի օգտագործեն և հիմնվեն դրանց վրա, հուսով ենք, որ մոտ ապագայում սա ավելի լայն կիրառումներ կունենա տարբեր ոլորտներում, ինչպիսիք են ճշգրիտ գյուղատնտեսությունը:
***
Հիշատակում:
- Vishwanathan AS, 2021. Մանրէաբանական վառելիքի բջիջներ. համապարփակ ակնարկ սկսնակների համար: 3 Կենսատեխնոլոգիա. 2021 մայիս; 11 (5): 248. Հրապարակված է առցանց 01 մայիսի 2021 թ. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Տասը Բ. et al 2024. Հողի վրա աշխատող հաշվիչներ. Հրատարակված՝ 12 թվականի հունվարի 2024: ACM-ի վարույթ ինտերակտիվ, շարժական, կրելի և ամենուր տարածված տեխնոլոգիաների վերաբերյալ: Հատոր 7 Թողարկում 4Հոդված թիվ՝ 196էջ 1–40: DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Հյուսիսարևմտյան համալսարան. Նորություններ-Կեղտոտ էներգիայով աշխատող վառելիքի բջիջն աշխատում է ընդմիշտ: Տեղադրվել է 12 թվականի հունվարի 2024-ին: Հասանելի է https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
