ნიადაგის მიკრობული საწვავის უჯრედები (SMFCs): ახალ დიზაინს შეუძლია სარგებელს მოუტანოს გარემოს და ფერმერებს 

ნიადაგის მიკრობული საწვავი საკნების (SMFCs) იყენებენ ნიადაგში ბუნებრივ ბაქტერიებს ელექტროენერგიის გამოსამუშავებლად. როგორც განახლებადი ენერგიის გრძელვადიანი, დეცენტრალიზებული წყარო, SMFC შეიძლება მუდმივად იყოს განლაგებული სხვადასხვა გარემო პირობების რეალურ დროში მონიტორინგისთვის და ასევე შეუძლია ხელი შეუწყოს სიზუსტის ზრდას. მეურნეობის და ჭკვიანი ქალაქები. თუმცა, საუკუნეზე მეტი ხნის არსებობის მიუხედავად, SMFC-ების პრაქტიკული გამოყენება თითქმის არ არსებობდა ენერგიის გამომუშავების შეუსაბამობის გამო. ამჟამად, არ არსებობს SMFC, რომელსაც შეუძლია ელექტროენერგიის გამომუშავება მუდმივად მაღალი ტენიანობის წყლის პირობებში. ბოლო კვლევაში, მკვლევარებმა შექმნეს და შეადარეს დიზაინის სხვადასხვა ვერსიები და დაადგინეს, რომ ვერტიკალური უჯრედის დიზაინი აუმჯობესებს შესრულებას და ხდის SMFC-ებს უფრო მდგრადს ნიადაგის ტენიანობის ცვლილებების მიმართ.   

მიკრობული საწვავის უჯრედები (MFCs) არის ბიორეაქტორები, რომლებიც აწარმოებენ ელექტროენერგიას ქიმიურ ობლიგაციებში ენერგიის გარდაქმნით ორგანული ნაერთები ელექტროენერგიაში მიკრობების მიერ ბიოკატალიზის გზით. ანოდის განყოფილებაში გამოთავისუფლებული ელექტრონები სუბსტრატის ბაქტერიული დაჟანგვით გადადის კათოდში, სადაც ისინი ერწყმის ჟანგბადს და წყალბადის იონებს.  

ბიოქიმიური რეაქციები აერობულ პირობებში, მაგალითად, აცეტატისთვის, როგორც სუბსტრატი, არის: 

ჟანგვის ნახევრად რეაქცია ანოდზე 

CH₃COO^- + 3 სთ₂O → CO₂ +HCO₃^- + 8 სთ⁺ +8ე^-  

შემცირების ნახევრად რეაქცია კათოდზე 

ო ₂ + 8 სთ ⁺ + 8 ე ^-   → 4 სთ ₂ O 

ანაერობულ გარემოში MFC-ებს შეუძლიათ გამოიყენონ ბიონარჩენები, როგორც სუბსტრატი ელექტროენერგიის წარმოებისთვის. 

MFC-ებს აქვთ პოტენციალი გამოიყენონ მდგრადი ენერგიის გარემოსდაცვითი საკითხების გადაწყვეტა, გლობალური დათბობა და ბიონარჩენების მართვა. მას აქვს მყარი შემთხვევა გამოსაყენებლად ისეთ ადგილებში, სადაც რეგულარული ქიმიური ბატარეები და მზის პანელები არ შეესაბამება მოლოდინს, როგორიცაა მწვანე ინფრასტრუქტურა, მდელოები, ჭაობები ან მიწისქვეშა. ამ ადგილებში, მზის პანელები არ მუშაობს ღამით და ჩვეულებრივ დაფარულია ჭუჭყით ან მცენარეებით, ხოლო ქიმიური შემადგენელი კომპონენტებია. ბატარეები გაჟონვა გარემოში. ნიადაგის მიკრობული საწვავი საკნების (SMFCs) მოდის, როგორც ენერგიის მდგრადი წყარო ისეთ ადგილებში, როგორიცაა მეურნეობა, მდელოები, ტყეები და უდაბნოები, დაბალი ენერგეტიკული მოწყობილობების გასაძლიერებლად.  

ნიადაგის მიკრობული საწვავის უჯრედები (SMFC) იყენებენ ნიადაგში ბუნებრივ ბაქტერიებს ელექტროენერგიის გამოსამუშავებლად. ოპტიმალურ პირობებში, SMFC-ებს შეუძლიათ გამოიმუშაონ 200 μW სიმძლავრე 731 მვ ძაბვით. როგორც განახლებადი ენერგიის გრძელვადიანი, დეცენტრალიზებული წყარო, SMFC შეიძლება მუდმივად იყოს განლაგებული სხვადასხვა გარემო პირობების რეალურ დროში მონიტორინგისა და პოლიტიკის წარმართვისთვის. მათ ასევე შეუძლიათ ხელი შეუწყონ ჭკვიანი ქალაქების ზრდას და ფერმები.  

თუმცა, საუკუნეზე მეტი ხნის არსებობის მიუხედავად, SMFC-ების პრაქტიკული გამოყენება მიწის დონეზე ძალიან შეზღუდულია. ამჟამად, არ არსებობს SMFC, რომელსაც შეუძლია ელექტროენერგიის გამომუშავება მუდმივად მაღალი ტენიანობის წყლის პირობებში. ენერგიის გამომუშავების შეუსაბამობა განპირობებულია გარემო პირობების, ნიადაგის ტენიანობის, ნიადაგის ტიპების, ნიადაგში მცხოვრები მიკრობების და ა.შ. განსხვავებებით, მაგრამ ნიადაგის ტენიანობის ცვლილება მაქსიმალურ გავლენას ახდენს ენერგიის გამომუშავების თანმიმდევრულობაზე. უჯრედები უნდა დარჩეს ადეკვატურად დატენიანებული და ჟანგბადით მუდმივი სიმძლავრის გამომუშავებისთვის, რაც შეიძლება რთული საკითხი იყოს მიწისქვეშ მშრალ ჭუჭყში დამარხვისას.   

ვერტიკალური უჯრედის დიზაინი აუმჯობესებს შესრულებას და ხდის SMFC-ებს უფრო გამძლეს ნიადაგის ტენიანობის ცვლილებების მიმართ.  

ბოლოდროინდელმა კვლევამ (რომელიც მოიცავს 2-წლიან განმეორებით დიზაინის პროცესს SMFC-ის განლაგების კომბინირებული ცხრათვიანი მონაცემებით) სისტემატურად ამოწმებდა უჯრედების დიზაინს ზოგადი დიზაინის მითითებების მისაღწევად. კვლევის ჯგუფმა შექმნა და შეადარა ოთხი განსხვავებული ვერსია, მათ შორის ტრადიციული დიზაინი, რომელშიც კათოდი და ანოდი ერთმანეთის პარალელურია. აღმოჩნდა, რომ საწვავის უჯრედის ვერტიკალური დიზაინი (ვერსია 3: ანოდის ორიენტაცია ჰორიზონტალური და კათოდური ორიენტაცია პერპენდიკულურად) საუკეთესოდ მუშაობდა. იგი კარგად მუშაობდა ტენიანობის დიაპაზონში დატბორილიდან გარკვეულწილად მშრალ მდგომარეობაში.  

ვერტიკალურ დიზაინში, ანოდი (ნახშირბადისგან დამზადებული ბაქტერიების მიერ გამოთავისუფლებული ელექტრონების დასაჭერად) დამარხულია ტენიან ნიადაგში მიწის ზედაპირზე პერპენდიკულარულად, ხოლო კათოდი (ინერტული, გამტარი ლითონისგან დამზადებული) ვერტიკალურად ზის ანოდზე ჰორიზონტალურად ადგილზე. დონე, სადაც ჟანგბადი ხელმისაწვდომია შემცირების ნახევარი რეაქციის დასასრულებლად.  

დიზაინისთვის გამომავალი სიმძლავრე მნიშვნელოვნად მაღალი იყო მთელი პერიოდის განმავლობაში, როდესაც უჯრედი წყლით იყო დატბორილი. ის კარგად მუშაობდა მთლიანად წყალქვეშა მდგომარეობიდან გარკვეულწილად მშრალამდე (41% წყლის მოცულობით), თუმცა მას კვლავ ჰქონდა მაღალი 41% მოცულობითი წყლის შემცველობა (VWC) აქტიური დარჩენისთვის.  

ეს კვლევა ეხება საკითხს SMFC-ების დიზაინის ასპექტთან დაკავშირებით ტენიანობის ცვლილებებისადმი თანმიმდევრულობისა და მდგრადობის გაუმჯობესების მიზნით. მას შემდეგ, რაც ავტორებმა გამოუშვეს ყველა დიზაინი, გაკვეთილი და სიმულაციური ხელსაწყოები საზოგადოებისთვის, რათა გამოიყენონ და დაეყრდნონ მას, იმედია, ეს უფრო ფართო აპლიკაციებს გამოიყენებს მრავალფეროვან სფეროებში, როგორიცაა ზუსტი მეურნეობა უახლოეს მომავალში.  

*** 

წყაროები:  

1. Vishwanathan AS, 2021. მიკრობული საწვავის უჯრედები: ყოვლისმომცველი მიმოხილვა დამწყებთათვის. 3 ბიოტექნიკა. 2021 მაისი; 11(5): 248. გამოქვეყნებულია ონლაინ 01 წლის 2021 მაისს. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. ათი ბ. et al 2024. ნიადაგზე მომუშავე გამოთვლა: ინჟინრის გზამკვლევი ნიადაგის მიკრობული საწვავის უჯრედის პრაქტიკული დიზაინისთვის. გამოქვეყნებულია: 12 წლის 2024 იანვარი. ACM-ის შრომები ინტერაქტიული, მობილური, ტარებადი და ყველგანმყოფი ტექნოლოგიების შესახებ. ტომი 7 გამოცემა 4მუხლი No: 196გვ 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. ჩრდილო-დასავლეთის უნივერსიტეტი. სიახლეები-ჭუჭყიანი საწვავის უჯრედი სამუდამოდ მუშაობს. გამოქვეყნებულია 12 წლის 2024 იანვარს. ხელმისაწვდომია მისამართზე https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***