Bodenmikrobielle Brennstoffzellen (SMFCs): Das neue Design könnte der Umwelt und den Landwirten zugute kommen 

Der mikrobielle Brennstoff des Bodens Die Zellen (SMFCs) nutzen natürlich im Boden vorkommende Bakterien zur Stromerzeugung. Als langfristige, dezentrale Quelle erneuerbarer Energie könnten die SMFCs dauerhaft zur Echtzeitüberwachung verschiedener Umweltbedingungen eingesetzt werden und können auch zur Steigerung der Präzision beitragen Landwirtschaft und intelligente Städte. Obwohl es SMFCs schon seit über einem Jahrhundert gibt, ist die praktische Anwendung aufgrund der inkonsistenten Leistungsabgabe nahezu inexistent. Derzeit gibt es kein SMFC, das außerhalb von wasserreichen Bedingungen mit hoher Luftfeuchtigkeit dauerhaft Strom erzeugen kann. In einer aktuellen Studie erstellten und verglichen die Forscher verschiedene Designversionen und stellten fest, dass das vertikale Zellendesign die Leistung verbessert und SMFCs widerstandsfähiger gegenüber Veränderungen der Bodenfeuchtigkeit macht.   

Mikrobiell Brennstoffzellen (MFCs) sind Bioreaktoren, die Strom erzeugen, indem sie die Energie in die chemischen Bindungen von umwandeln bio Verbindungen in elektrische Energie durch Biokatalyse durch Mikroben. Die im Anodenraum durch bakterielle Substratoxidation freigesetzten Elektronen werden zur Kathode übertragen, wo sie sich mit Sauerstoff- und Wasserstoffionen verbinden.  

Die biochemischen Reaktionen unter aeroben Bedingungen, beispielsweise für Acetat als Substrat, sind: 

Oxidationshalbreaktion an der Anode 

CH₃COO^- + 3H₂O → CO₂ +HCO₃^- + 8H⁺ +8e^-  

Reduktionshalbreaktion an der Kathode 

2 O ₂ 8 + H ⁺ + 8 € ^-   → 4 Std ₂ O 

In anaerober Umgebung können MFCs Bioabfälle als Substrat zur Stromerzeugung nutzen. 

MFCs haben das Potenzial, als Lösung für Umweltprobleme nachhaltiger Energie zu dienen. die globale Erwärmung und Bioabfallmanagement. Es gibt gute Argumente für den Einsatz in Bereichen, in denen herkömmliche chemische Batterien und Solarmodule hinter den Erwartungen zurückbleiben, beispielsweise in grünen Infrastrukturen, Grasland, Feuchtgebieten oder im Untergrund. In diesen Gebieten funktionieren Sonnenkollektoren nachts nicht und werden normalerweise von Schmutz oder Vegetation sowie chemischen Bestandteilen bedeckt Batterien in die Umwelt gelangen. Der mikrobielle Brennstoff des Bodens Die Zellen (SMFCs) kommen als nachhaltige Energiequelle in solchen Gebieten in der Landwirtschaft, im Grünland, in Wäldern und auf Brachland zum Einsatz, um Geräte mit geringem Energieverbrauch zu betreiben.  

Die bodenmikrobiellen Brennstoffzellen (SMFCs) nutzen natürlich im Boden vorkommende Bakterien zur Stromerzeugung. Unter optimalen Bedingungen können SMFCs bis zu 200 μW Leistung bei einer Spannung von 731 mV erzeugen. Als langfristige, dezentrale Quelle erneuerbarer Energie könnten die SMFCs dauerhaft eingesetzt werden, um verschiedene Umweltbedingungen in Echtzeit zu überwachen und Richtlinien festzulegen. Diese können auch zum Wachstum von Smart Cities beitragen Betriebe.  

Obwohl es SMFCs schon seit mehr als einem Jahrhundert gibt, ist die praktische Anwendung von SMFCs in Bodennähe jedoch sehr begrenzt. Derzeit gibt es kein SMFC, das außerhalb von wasserreichen Bedingungen mit hoher Luftfeuchtigkeit dauerhaft Strom erzeugen kann. Die Inkonsistenz der Leistungsabgabe wird auf Unterschiede in den Umgebungsbedingungen, der Bodenfeuchtigkeit, den Bodentypen, den im Boden lebenden Mikroben usw. zurückgeführt. Änderungen in der Bodenfeuchtigkeit haben jedoch den größten Einfluss auf die Konstanz der Leistungsabgabe. Die Zellen müssen ausreichend hydratisiert und mit Sauerstoff versorgt bleiben, um eine konstante Leistungsabgabe zu gewährleisten, was ein schwieriges Problem sein kann, wenn sie unter der Erde in trockener Erde vergraben sind.   

Das vertikale Zellendesign verbessert die Leistung und macht SMFCs widerstandsfähiger gegenüber Veränderungen der Bodenfeuchtigkeit.  

In einer kürzlich durchgeführten Studie (die einen zweijährigen iterativen Designprozess mit insgesamt neun Monaten an SMFC-Bereitstellungsdaten umfasst) wurden Zelldesigns systematisch getestet, um zu allgemeinen Designrichtlinien zu gelangen. Das Forschungsteam erstellte und verglich vier verschiedene Versionen, darunter das traditionelle Design, bei dem sowohl Kathode als auch Anode parallel zueinander sind. Das vertikale Design (Version 2: Anodenausrichtung horizontal und Kathodenausrichtung senkrecht) der Brennstoffzelle erwies sich als das leistungsstärkste. Es funktionierte gut im Feuchtigkeitsbereich von überschwemmtem bis etwas trockenem Zustand.  

Beim vertikalen Design wird die Anode (aus Kohlenstoff hergestellt, um die von den Bakterien freigesetzten Elektronen einzufangen) senkrecht zur Bodenoberfläche im feuchten Boden vergraben, während die Kathode (aus einem inerten, leitfähigen Metall) vertikal auf der Anode horizontal am Boden sitzt Niveau, bei dem Sauerstoff für den Abschluss der Reduktionshalbreaktion leicht verfügbar ist.  

Die Leistungsabgabe für das Design war während der gesamten Dauer der Überschwemmung der Zelle mit Wasser deutlich höher. Von vollständig unter Wasser bis hin zu etwas trocken (41 % Wasser pro Volumen) funktionierte es gut, es musste jedoch immer noch ein hoher volumetrischer Wassergehalt (VWC) von 41 % vorliegen, um aktiv zu bleiben.  

Diese Studie befasst sich mit Fragen zum Designaspekt von SMFCs zur Verbesserung der Konsistenz und Widerstandsfähigkeit gegenüber Feuchtigkeitsänderungen. Da die Autoren alle Entwürfe, Tutorials und Simulationstools der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt haben, um sie zu verwenden und darauf aufzubauen, sollte dies hoffentlich in naher Zukunft zu breiteren Anwendungen in verschiedenen Bereichen führen, beispielsweise in der Präzisionslandwirtschaft.  

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References:  

1. Vishwanathan AS, 2021. Mikrobielle Brennstoffzellen: ein umfassender Überblick für Einsteiger. 3 Biotech. 2021 Mai; 11(5): 248. Online veröffentlicht am 01. Mai 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. Zehn B., et al 2024. Soil-Powered Computing: Der Leitfaden für Ingenieure zum praktischen Design bodenmikrobieller Brennstoffzellen. Veröffentlicht: 12. Januar 2024. Tagungsband der ACM zu interaktiven, mobilen, tragbaren und allgegenwärtigen Technologien. Band 7, Ausgabe 4, Artikel-Nr.: 196 S. 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Nordwestliche Universität. Nachrichten – Schmutzbetriebene Brennstoffzelle läuft ewig. Gepostet am 12. Januar 2024. Verfügbar unter https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

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