O Combustível Microbiano do Solo Células (SMFCs) usam bactérias que ocorrem naturalmente no solo para gerar eletricidade. Como uma fonte descentralizada e de longo prazo de energia renovável, os SMFCs poderiam ser perpetuamente implantados para monitoramento em tempo real de várias condições ambientais e também podem contribuir para o crescimento da precisão agricultura e cidades inteligentes. No entanto, apesar de existirem há mais de um século, a aplicação prática dos SMFCs tem sido quase inexistente devido à inconsistência na produção de energia. Atualmente, não existe nenhum SMFC que possa gerar eletricidade de forma consistente fora de condições aquosas de alta umidade. Num estudo recente, os investigadores criaram e compararam diferentes versões de design e descobriram que o design vertical da célula melhora o desempenho e torna os SMFCs mais resistentes às mudanças na humidade do solo.
Microbiana células de combustível (MFCs) são biorreatores que produzem eletricidade convertendo a energia nas ligações químicas de orgânico compostos em energia elétrica através da biocatálise por micróbios. Os elétrons liberados no compartimento anódico pela oxidação bacteriana do substrato são transferidos para o cátodo, onde se combinam com íons oxigênio e hidrogênio.
As reações bioquímicas sob condições aeróbicas, por exemplo, para acetato como substrato são:
meia reação de oxidação no ânodo
CH3COO- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ + 8e-
meia-reação de redução no cátodo
2 O 2 + 8 H + + 8 e - → 4H 2 O
Em ambiente anaeróbico, os MFCs podem utilizar biorresíduos como substrato para produzir eletricidade.
Os MFCs têm potencial para servir como uma solução para questões ambientais de energia sustentável, aquecimento global e gestão de biorresíduos. Tem um argumento sólido para aplicação em áreas onde as baterias químicas regulares e os painéis solares ficam aquém das expectativas, como em infraestruturas verdes, pastagens, zonas húmidas ou subterrâneas. Nessas áreas, os painéis solares não funcionam à noite e geralmente ficam cobertos por sujeira ou vegetação enquanto constituintes de produtos químicos baterias lixiviar para o meio ambiente. O Combustível Microbiano do Solo Células (SMFCs) são uma fonte sustentável de energia em áreas agrícolas, pastagens, florestas e terrenos baldios para alimentar dispositivos de baixo consumo de energia.
As células de combustível microbianas do solo (SMFCs) usam bactérias que ocorrem naturalmente no solo para gerar eletricidade. Sob condições ideais, os SMFCs podem produzir até 200 μW de potência com uma tensão de 731 mV. Como fonte descentralizada e de longo prazo de energia renovável, os SMFCs poderiam ser perpetuamente implantados para monitoramento em tempo real de várias condições ambientais e orientar políticas. Estes também podem contribuir para o crescimento de cidades inteligentes e fazendas.
No entanto, apesar de existirem há mais de um século, a aplicação prática dos SMFC no terreno tem sido muito limitada. Atualmente, não existe um SMFC que possa gerar eletricidade de forma consistente fora de condições aquosas de alta umidade. A inconsistência na produção de energia é atribuída a diferenças nas condições ambientais, na umidade do solo, nos tipos de solo, nos micróbios que habitam o solo, etc., mas as mudanças na umidade do solo têm influência máxima na consistência da produção de energia. As células precisam permanecer adequadamente hidratadas e oxigenadas para uma produção de energia consistente, o que pode ser um problema difícil quando enterradas no subsolo em terra seca.
O design da célula vertical melhora o desempenho e torna os SMFCs mais resistentes às mudanças na umidade do solo.
Um estudo recente (envolvendo um processo de design iterativo de 2 anos com nove meses combinados de dados de implantação do SMFC) testou sistematicamente projetos de células para chegar a diretrizes gerais de projeto. A equipe de pesquisa criou e comparou quatro versões diferentes, incluindo o design tradicional em que o cátodo e o ânodo são paralelos entre si. O design vertical (versão 3: orientação do ânodo horizontal e orientação do cátodo perpendicular) da célula de combustível foi considerado o de melhor desempenho. Funcionou bem na faixa de umidade de condições inundadas a condições um tanto secas.
No design vertical, o ânodo (feito de carbono para capturar os elétrons liberados pelas bactérias) é enterrado no solo úmido perpendicularmente à superfície do solo, enquanto o cátodo (feito de um metal inerte e condutor) fica verticalmente sobre o ânodo horizontalmente no solo. nível onde o oxigênio está prontamente disponível para completar a semi-reação de redução.
A produção de energia para o projeto foi significativamente maior durante todo o período em que a célula foi inundada com água. Ele operou bem desde a condição completamente subaquática até um pouco seco (41% de água por volume), no entanto, ainda tinha um alto requisito de conteúdo volumétrico de água (VWC) de 41% para permanecer ativo.
Este estudo aborda questões relacionadas ao aspecto do design dos SMFCs para melhorar a consistência e a resiliência às mudanças de umidade. Uma vez que os autores lançaram todos os designs, tutoriais e ferramentas de simulação para o público usar e desenvolver, esperamos que isso se traduza em aplicações mais amplas em diversas áreas, como na agricultura de precisão, num futuro próximo.
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Referências:
- Vishwanathan AS, 2021. Células de combustível microbianas: uma revisão abrangente para iniciantes. 3 Biotecnologia. Maio de 2021; 11(5): 248. Publicado on-line em 01º de maio de 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Dez B., et al 2024. Computação movida a solo: o guia do engenheiro para projeto prático de células de combustível microbianas no solo. Publicado em: 12 de janeiro de 2024. Procedimentos do ACM sobre tecnologias interativas, móveis, vestíveis e onipresentes. Volume 7 Edição 4 Artigo nº: 196 pp 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Universidade do Noroeste. A célula de combustível alimentada por News-Dirt funciona para sempre. Postado em 12 de janeiro de 2024. Disponível em https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
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