Jarðvegurinn örverueldsneyti Frumur (SMFCs) nota náttúrulega bakteríur í jarðveginum til að framleiða rafmagn. Sem langtíma, dreifð uppspretta endurnýjanlegrar orku, gæti SMFC verið beitt endalaust til að fylgjast með ýmsum umhverfisaðstæðum í rauntíma og geta einnig stuðlað að aukinni nákvæmni. búskap og snjöllum borgum. Hins vegar, þrátt fyrir að hafa verið til í meira en öld, hefur hagnýt beiting SMFCs verið nánast engin vegna ósamræmis í afköstum. Eins og er er ekkert SMFC sem getur framleitt rafmagn stöðugt utan mikils raka í vatni. Í nýlegri rannsókn bjuggu vísindamennirnir til og báru saman mismunandi hönnunarútgáfur og komust að því að lóðrétt frumuhönnun bætir afköst og gerir SMFCs þola breytingar á jarðvegi raka.
Örvera eldsneyti frumur (MFC) eru lífhverfar sem framleiða rafmagn með því að umbreyta orku í efnatengi lífræn efnasambönd yfir í raforku með lífhvata fyrir örverur. Rafeindirnar sem losna í rafskautshólfinu við bakteríuoxun hvarfefnis eru fluttar yfir á bakskaut þar sem þær sameinast súrefnis- og vetnisjónum.
Lífefnafræðileg viðbrögð við loftháð skilyrði, til dæmis, fyrir asetat sem hvarfefni eru:
oxunar hálfhvarf á rafskautinu
CH3COO- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ +8e-
minnkun hálfhvarf á bakskaut
2 hinn 2 + 8 klst + + 8 - → 4H 2 O
Í loftfirrtu umhverfi geta MFCs notað lífúrgang sem hvarfefni til að framleiða rafmagn.
MFCs hafa tilhneigingu til að þjóna sem lausn á umhverfismálum sjálfbærrar orku, hlýnun jarðar og meðhöndlun lífúrgangs. Það hefur traustan hylki til notkunar á svæðum þar sem venjulegar efnarafhlöður og sólarrafhlöður standast ekki væntingar eins og í grænum innviðum, graslendi, votlendi eða neðanjarðar. Á þessum svæðum virka sólarrafhlöður ekki á nóttunni og verða venjulega huldar af óhreinindum eða gróðri á meðan innihaldsefni efna rafhlöður leka út í umhverfið. Jarðvegurinn örverueldsneyti Frumur (SMFCs) koma sem sjálfbær orkugjafi á slíkum svæðum í búskap, graslendi, skóglendi og auðn til að knýja lágorkutæki.
Jarðvegsörverueldsneytisfrumurnar (SMFC) nota náttúrulegar bakteríur í jarðveginum til að framleiða rafmagn. Við bestu aðstæður geta SMFC framleitt allt að 200 μW afl með 731 mV spennu. Sem langtíma, dreifð uppspretta endurnýjanlegrar orku, gæti SMFC verið beitt endalaust til að fylgjast með ýmsum umhverfisaðstæðum í rauntíma og leiðbeina stefnu. Þetta getur einnig stuðlað að vexti snjallborga og bæjum.
Hins vegar, þrátt fyrir að hafa verið til í meira en öld, hefur hagnýt notkun SMFCs á jörðu niðri verið mjög takmörkuð. Eins og er, er engin SMFC sem getur framleitt rafmagn stöðugt utan mikils raka í vatni. Ósamræmi í afköstum er rakið til mismunandi umhverfisaðstæðna, jarðvegsraka, jarðvegstegunda, örvera sem búa í jarðvegi o.s.frv. en breytingar á jarðvegsraka hafa hámarks þýðingu fyrir samkvæmni aflgjafans. Frumurnar þurfa að vera nægilega vökvaðar og súrefnisbundnar til að tryggja stöðuga afköst sem getur verið erfitt mál þegar þær eru grafnar neðanjarðar í þurrum óhreinindum.
Lóðrétta frumuhönnunin bætir afköst og gerir SMFCs þola breytingar á jarðvegi raka.
Nýleg rannsókn (sem felur í sér 2 ára endurtekið hönnunarferli með samanlagt níu mánaða SMFC dreifingargögnum) hefur kerfisbundið prófað frumuhönnun til að komast að almennum hönnunarleiðbeiningum. Rannsóknarteymið bjó til og bar saman fjórar mismunandi útgáfur, þar á meðal hefðbundna hönnun þar sem bæði bakskaut og rafskaut eru samsíða hvort öðru. Lóðrétt hönnun (útgáfa 3: rafskautsstefna lárétt og bakskautsstefna hornrétt) á efnarafalanum reyndist vera best. Það virkaði vel í rakasviðinu frá vatnsfalli til nokkuð þurrt ástand.
Í lóðréttri hönnun er rafskautið (úr kolefni til að fanga rafeindirnar sem bakteríurnar gefa út) grafið í rökum jarðvegi hornrétt á yfirborð jarðar á meðan bakskautið (úr óvirkum, leiðandi málmi) situr lóðrétt ofan á skautinu lárétt við jörðu. stig þar sem súrefni er aðgengilegt til að ljúka afoxunarhálfviðbrögðum.
Aflmagn fyrir hönnun var marktækt hærra allan þann tíma þegar klefan var flædd með vatni. Það virkaði vel frá því að vera alveg neðansjávar ástand í nokkuð þurrt (41% vatn miðað við rúmmál) en það þurfti samt háa 41% rúmmálsvatnsinnihald (VWC) til að vera virkt.
Þessi rannsókn tekur á spurningum varðandi hönnunarþátt SMFCs til að bæta samkvæmni og viðnám gegn rakabreytingum. Þar sem höfundar hafa gefið út alla hönnun, kennsluefni og uppgerð verkfæri til almennings til að nota og byggja á, vonandi ætti þetta að skila sér í víðtækari notkun á fjölbreyttum sviðum eins og í nákvæmni búskap í náinni framtíð.
***
Tilvísanir:
- Vishwanathan AS, 2021. Örverueldsneytisfrumur: ítarleg úttekt fyrir byrjendur. 3 Líftækni. maí 2021; 11(5): 248. Birt á netinu 01. maí 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Tíu B., et al 2024. Jarðvegsdrifnar tölvur: Leiðbeiningar verkfræðingsins um hagnýta jarðvegsörverueldsneytisfrumuhönnun. Birt: 12. janúar 2024. Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. 7. bindi 4. tölublað Greinarnúmer: 196 bls. 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Northwestern háskólinn. Fréttir-Mort-knúinn efnarafali keyrir að eilífu. Sent 12. janúar 2024. Fæst á https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
