Celule de combustibil microbian ar putea revoluționa producția de energie electrică în viitor

Se estimează că populația mondială va ajunge la 9,5 miliarde până în 2050. Având în vedere că cea mai mare parte a energiei noastre actuale este generată din combustibili fosili, acest lucru creează provocări semnificative atunci când vine vorba de furnizarea de energie electrică suficientă durabilă, în timp ce atenuează schimbările climatice.

O idee care a câștigat teren în ultimii ani este generarea de energie electrică folosind bacterii în dispozitive, numite celule de combustibil microbian (MFC). Aceste pile de combustie se bazează pe capacitatea anumitor microorganisme naturale care au capacitatea de a „respira” metale, schimbând electroni pentru a crea electricitate. Acest proces poate fi alimentat folosind substanțe numite substraturi, care includ materiale organice găsite în apele uzate, conform unui nou studiu.

În momentul de față, celule de combustibil microbian sunt capabile să genereze energie electrică pentru a alimenta dispozitive mici, cum ar fi calculatoare, ventilatoare mici și LED-uri. Dar dacă tehnologia este extinsă, aceasta este foarte promițătoare.

Cum funcționează acest sistem

MFC-urile folosesc un sistem de anod și catod – electrozi care trec un curent fie în interior, fie în exterior. Sistemele comune MFC constau dintr-o cameră anodică și o cameră catodică separată de o membrană. Bacteriile cresc pe anod și transformă substraturile în dioxid de carbon, protoni și electroni.

Cine este Călin Georgescu, candidatul la prezidențiale care a produs o surpriză neașteptată în primul tur al alegerilor prezidențiale

Călin Georgescu, surpriza primului tur al alegerilor prezidențiale 2024: primele declarații și parcursul său politic

Electronii produși sunt apoi transferați printr-un circuit extern în camera catodică, în timp ce protonii trec prin membrană. În camera catodică, o reacție între protoni și electroni consumă oxigen și formează apă. Și atât timp cât substraturile sunt convertite continuu, electronii vor curge, ceea ce reprezintă electricitatea.

Generarea de energie electrică prin MFC are o serie de avantaje: sistemele pot fi instalate oriunde și creează mai puțin „nămol” decât metodele convenționale de tratare a apelor uzate. Și pot fi la scară mică, dar un design modular poate fi utilizat pentru a construi sisteme mai mari. De asemenea, au o toleranță ridicată la salinitate și pot funcționa la temperatura camerei.

Disponibilitatea unei game largi de substraturi regenerabile care poate fi utilizată pentru a genera electricitate în MFC are potențialul de a revoluționa producția de energie electrică în viitor. Astfel de substraturi includ urină, materie organică din apele uzate, substanțe secretate de plante vii în sol și deșeuri anorganice precum sulf și chiar poluanți gazoși.

Cum poate fi folosită urina în acest proces de a genera energie electrică

Materiile biodegradabile din materialele reziduale, cum ar fi fecalele și urina, pot fi transformate în energie electrică. Acest lucru a fost demonstrat într-o latrină cu o pilă de combustibil microbiană din Ghana, care a demonstrat că toaletele ar putea fi în viitor potențiale centrale electrice. Latrina, care a funcționat timp de doi ani, a reușit să genereze 268 nW / m² de energie electrică, suficientă pentru a alimenta o lumină LED în interiorul latrinei, în timp ce îndepărta azotul din urină.

Pentru locațiile fără electricitate sau pentru taberele de refugiați, utilizarea deșeurilor în latrine pentru a produce electricitate ar putea fi cu adevărat revoluționară.

MFC-uri din plante pentru a produce energie electrică

Un alt substrat regenerabil și durabil pe care MFC-urile l-ar putea folosi pentru a genera electricitate sunt rădăcinile plantelor. Când plantele cresc, produc carbohidrați, cum ar fi glucoza, dintre care unii sunt expulzați în sistemul radicular. Microorganismele din apropierea rădăcinilor transformă carbohidrații în protoni, electroni și dioxid de carbon.

Într-o plantă MFC, protonii sunt transferați printr-o membrană și se recombină cu oxigen pentru a finaliza circuitul de transfer al electronilor. Prin conectarea unei sarcini în circuit, energia electrică generată poate fi valorificată.

Acest lucru ar putea revoluționa producția de energie electrică în comunitățile izolate care nu au acces la rețea. În orașe, străzile ar putea fi iluminate folosind copaci, spre exemplu.

Celule de desalinizare microbiene

O altă variantă a celulelor de combustie microbiene sunt celulele de desalinizare microbiene. Aceste dispozitive folosesc bacterii pentru a genera electricitate, de exemplu din apele uzate, în timp ce desalinizează simultan apa. Apa care urmează a fi desalinizată este introdusă într-o cameră amplasată între camerele anodice și catodice ale MFC folosind membrane cu ioni încărcați negativ și pozitiv.

Desalinizarea convențională a apei este în prezent foarte consumatoare de energie și, prin urmare, costisitoare. Un proces care realizează desalinizarea pe scară largă în timp ce produce (nu consumă) electricitate, ar fi revoluționar.

Îmbunătățirea randamentului gazelor naturale

Digestia anaerobă – unde se utilizează microorganismele pentru a descompune materiile biodegradabile sau deșeuri fără a avea nevoie de oxigen – este folosită pentru a recupera energia din apele uzate prin producerea de biogaz care este în cea mai mare parte metan – principalul ingredient al gazelor naturale. Dar acest proces este de obicei ineficient.

Cercetările sugerează că grupurile microbiene utilizate în cadrul acestor digestoare împart electroni, deschizând posibilitatea ca aceștia să poată utiliza energie pozitivă pentru a-și influența metabolismul.

Prin furnizarea unei tensiuni mici digestoarelor anaerobe – un proces numit electrometanogeneză – randamentul de metan (și, prin urmare, electricitatea care ar putea fi recuperată de la centralele combinate de căldură și energie electrică) poate fi îmbunătățit semnificativ.

În timp ce celulele de combustibil microbiene sunt capabile să genereze energie electrică pentru a alimenta dispozitivele mici, cercetătorii investighează modalități de mărire a reactoarelor pentru a crește cantitatea de energie pe care o pot genera și pentru a înțelege în continuare cum funcționează transferul extracelular de electroni.

Câteva companii de tip startup, cum ar fi Robial și Plant-e, încep să comercializeze celule de combustibil microbiene. În viitor, celulele de combustibil microbiene ar putea fi folosite chiar pentru a genera electricitate în sistemele regenerabile de susținere a vieții în timpul misiunilor spațiale umane pe termen lung. Sunt încă experimente, dar tehnologia este foarte promițătoare.