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土壌微生物燃料電池 (SMFC): 新しい設計は環境と農家に利益をもたらす可能性がある 

土壌微生物燃料電池 (SMFC) は、土壌中に自然に存在するバクテリアを使用して発電します。 SMFC は長期分散型の再生可能電力源として、さまざまな環境条件をリアルタイムで監視するために永続的に導入でき、精密農業やスマート シティの成長にも貢献できます。しかし、SMFCは誕生してから1世紀以上経ちますが、出力のばらつきなどから実用化はほとんど進んでいません。現在、湿気の多い水の多い環境の外で安定して発電できる SMFC はありません。最近の研究で、研究者らはさまざまな設計バージョンを作成して比較し、垂直セル設計により性能が向上し、SMFC が土壌水分の変化に対する耐性を高めていることがわかりました。   

微生物 燃料電池 (MFC) は、微生物による生体触媒作用を通じて有機化合物の化学結合のエネルギーを電気エネルギーに変換することによって電気を生成するバイオリアクターです。細菌による基質の酸化によってアノード区画で放出された電子は、カソードに転送され、そこで酸素および水素イオンと結合します。  

好気条件下、たとえば酢酸を基質とした場合の生化学反応は次のとおりです。 

アノードでの酸化半反応 

CH3最高執行責任者 - + 3H2O→CO2 +HCO3 - + 8H+ + 8e -   

カソードでの還元半反応 

2について 2 + 8 H + +8番目 -    →4H 2 O 

嫌気性環境では、MFC は生物廃棄物を基質として使用して発電できます。 

MFCは持続可能なエネルギーや環境問題の解決策となる可能性を秘めています。 地球温暖化 そして生物廃棄物の管理。この技術は、グリーンインフラ、草地、湿地、地下など、通常の化学電池やソーラーパネルでは期待できない分野での応用に確固たる根拠を持っています。これらの地域では、太陽光パネルは夜間には作動せず、通常は土や草木に覆われ、化学電池の成分が環境中に浸出します。土壌微生物燃料電池 (SMFC) は、農業、草地、森林、荒地などの地域で低エネルギー装置に電力を供給する持続可能なエネルギー源として利用されます。  

土壌微生物燃料電池 (SMFC) は、土壌中に自然に存在するバクテリアを使用して発電します。最適な条件下では、SMFC は 200 mV の電圧で最大 731 μW の電力を生成できます。 SMFC は、再生可能電力の長期分散型電源として、さまざまな環境条件をリアルタイムで監視し、政策を導くために永続的に導入できます。これらはスマートシティやスマートファームの成長にも貢献できます。  

しかし、SMFC は 1 世紀以上存在しているにもかかわらず、地上での実用化は非常に限られています。現在、湿気の多い水の多い環境の外で安定して発電できる SMFC はありません。発電量のばらつきは、環境条件、土壌水分、土壌の種類、土壌に生息する微生物などの違いに起因しますが、土壌水分の変化が発電量の安定性に最大の影響を与えます。安定した出力を得るには、細胞が適切に水分と酸素を供給された状態を保つ必要がありますが、これは乾燥した土の中に埋もれている場合には困難な問題となる可能性があります。   

垂直セル設計により性能が向上し、土壌水分の変化に対する SMFC の耐性が向上します。  

最近の研究 (2 か月の SMFC 導入データを組み合わせた 3 年間の反復設計プロセスを含む) では、セル設計を体系的にテストして、一般的な設計ガイドラインに到達しました。研究チームは、カソードとアノードの両方が互いに平行である従来の設計を含む XNUMX つの異なるバージョンを作成し、比較しました。燃料電池の垂直設計 (バージョン XNUMX: アノードの向きが水平、カソードの向きが垂直) が最も優れた性能を発揮することが判明しました。浸水状態からやや乾燥した状態までの湿潤範囲で効果を発揮しました。  

垂直設計では、アノード(細菌が放出する電子を捕捉するためのカーボン製)は地表に垂直な湿った土壌に埋められ、一方カソード(不活性な導電性金属製)は地面に水平にアノードの上に垂直に設置されます。還元半反応の完了に酸素が容易に利用できるレベル。  

設計上の出力は、セルが水で浸水した期間全体を通じて大幅に高くなりました。完全に水中にある状態から、ある程度乾燥した状態 (水分体積 41%) まで良好に動作しましたが、活性を維持するには体積含水量 (VWC) が 41% と高い必要がありました。  

この研究は、湿度変化に対する一貫性と回復力の向上に向けた SMFC の設計面に関する疑問に対処します。著者らはすべての設計、チュートリアル、およびシミュレーション ツールを公開し、使用および構築できるようにしたため、近い将来、精密農業などのさまざまな分野で幅広い用途に応用できるようになることが期待されます。  

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参照:  

  1. Vishwanathan AS、2021 年。微生物燃料電池: 初心者向けの包括的なレビュー。 3 バイオテクノロジー。 2021年11月; 5(248): 01。2021 年 XNUMX 月 XNUMX 日にオンライン公開。DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 
  1. テンB、 2024. 土壌動力コンピューティング: 実践的な土壌微生物燃料電池設計のためのエンジニア向けガイド。公開日:12 年 2024 月 7 日。インタラクティブ、モバイル、ウェアラブル、ユビキタス テクノロジーに関する ACM の議事録。 4巻196号記事番号:1pp 40-XNUMX。土井: https://doi.org/10.1145/3631410 
  1. ノースウェスタン大学。ニュース - 土を動力とする燃料電池は永久に稼働します。 12 年 2024 月 XNUMX 日に投稿。 https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

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ウメシュプラサド
ウメシュプラサド
科学ジャーナリスト | 『Scientific European』誌創設編集者

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