Celle a combustibile microbico del suolo (SMFC): il nuovo design potrebbe apportare vantaggi all’ambiente e agli agricoltori 

Il combustibile microbico del suolo Celle (SMFC) utilizzano batteri presenti in natura nel terreno per generare elettricità. Essendo una fonte decentralizzata di energia rinnovabile a lungo termine, le SMFC potrebbero essere impiegate continuamente per il monitoraggio in tempo reale di varie condizioni ambientali e possono anche contribuire all’aumento della precisione agricoltura e città intelligenti. Tuttavia, nonostante esistano da oltre un secolo, l’applicazione pratica delle SMFC è stata quasi inesistente a causa dell’incoerenza nella produzione di energia. Attualmente non esiste una SMFC in grado di generare elettricità in modo costante al di fuori delle condizioni acquose di elevata umidità. In uno studio recente, i ricercatori hanno creato e confrontato diverse versioni di design e hanno scoperto che il design delle celle verticali migliora le prestazioni e rende le SMFC più resistenti ai cambiamenti di umidità del suolo.   

microbica celle a combustibile (MFC) sono bioreattori che producono elettricità convertendo l'energia nei legami chimici biologico composti in energia elettrica attraverso la biocatalisi da parte dei microbi. Gli elettroni rilasciati nel compartimento anodico dall'ossidazione batterica del substrato vengono trasferiti al catodo dove si combinano con gli ioni ossigeno e idrogeno.  

Le reazioni biochimiche in condizioni aerobiche, ad esempio, per l'acetato come substrato sono: 

semireazione di ossidazione sull'anodo 

CH₃AMMINISTRATORE DELEGATO^- + 3H₂O→CO₂ +HCO₃^- + 8H⁺ + 8e^-  

semireazione di riduzione sul catodo 

A proposito di 2 ₂ + 8 H ⁺ + 8 e ^-   → 4 ore ₂ O 

In ambiente anaerobico, le MFC possono utilizzare i rifiuti organici come substrato per produrre elettricità. 

Le MFC hanno il potenziale per servire come soluzione ai problemi ambientali dell’energia sostenibile, il riscaldamento globale e gestione dei rifiuti organici. Ha solide ragioni per l’applicazione in aree in cui le normali batterie chimiche e i pannelli solari non sono all’altezza delle aspettative, come nelle infrastrutture verdi, nelle praterie, nelle zone umide o nel sottosuolo. In queste zone, i pannelli solari non funzionano di notte e di solito vengono coperti da sporco o vegetazione mentre sono costituenti sostanze chimiche batterie disperdersi nell'ambiente. Il combustibile microbico del suolo Celle (SMFC) rappresentano una fonte di energia sostenibile in tali aree di agricoltura, praterie, foreste e terreni desolati per alimentare dispositivi a basso consumo energetico.  

Le celle a combustibile microbiche del suolo (SMFC) utilizzano batteri presenti naturalmente nel suolo per generare elettricità. In condizioni ottimali, le SMFC possono produrre fino a 200 μW di potenza con una tensione di 731 mV. Essendo una fonte decentralizzata di energia rinnovabile a lungo termine, le SMFC potrebbero essere impiegate perpetuamente per il monitoraggio in tempo reale di varie condizioni ambientali e guidare la politica. Questi possono anche contribuire alla crescita delle città intelligenti e aziende agricole.  

Tuttavia, nonostante esistano da oltre un secolo, l’applicazione pratica delle SMFC a livello del suolo è stata molto limitata. Attualmente non esiste una SMFC in grado di generare elettricità in modo costante al di fuori delle condizioni acquose di elevata umidità. L'incoerenza nella potenza erogata è attribuita alle differenze nelle condizioni ambientali, nell'umidità del suolo, nei tipi di terreno, nei microbi che popolano il suolo, ecc., ma i cambiamenti nell'umidità del suolo hanno un impatto massimo sulla coerenza della potenza erogata. Le cellule devono rimanere adeguatamente idratate e ossigenate per garantire una potenza erogata costante, il che può rappresentare un problema se sepolte sottoterra in terra secca.   

Il design delle celle verticali migliora le prestazioni e rende le SMFC più resistenti ai cambiamenti di umidità del suolo.  

Uno studio recente (che ha coinvolto un processo di progettazione iterativo di 2 anni con un totale di nove mesi di dati di distribuzione SMFC) ha testato sistematicamente i progetti delle celle per arrivare a linee guida generali di progettazione. Il gruppo di ricerca ha creato e confrontato quattro diverse versioni, incluso il design tradizionale in cui sia il catodo che l'anodo sono paralleli tra loro. Il design verticale (versione 3: orientamento dell'anodo orizzontale e orientamento del catodo perpendicolare) della cella a combustibile è risultato essere il più performante. Ha funzionato bene nell'intervallo di umidità da condizioni inondate a condizioni piuttosto asciutte.  

Nel design verticale, l'anodo (fatto di carbonio per catturare gli elettroni rilasciati dai batteri) è sepolto nel terreno umido perpendicolare alla superficie del terreno mentre il catodo (fatto di un metallo inerte e conduttivo) si trova verticalmente sopra l'anodo orizzontalmente a terra livello in cui l'ossigeno è facilmente disponibile per il completamento della semireazione di riduzione.  

La potenza erogata per la progettazione è stata significativamente più elevata per tutta la durata in cui la cella è stata inondata d'acqua. Ha funzionato bene da condizioni completamente sott'acqua a condizioni piuttosto asciutte (41% di acqua in volume), tuttavia aveva ancora un elevato requisito di contenuto volumetrico di acqua (VWC) del 41% per rimanere attivo.  

Questo studio affronta la questione riguardante l'aspetto progettuale delle SMFC al fine di migliorare la consistenza e la resilienza ai cambiamenti di umidità. Dal momento che gli autori hanno rilasciato al pubblico tutti i progetti, i tutorial e gli strumenti di simulazione affinché possano essere utilizzati e sviluppati, si spera che ciò si traduca in applicazioni più ampie in diverse aree come l’agricoltura di precisione nel prossimo futuro.  

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Riferimenti:  

1. Vishwanathan AS, 2021. Celle a combustibile microbiche: una revisione completa per i principianti. 3 Biotecnologie. 2021 maggio; 11(5): 248. Pubblicato online il 01 maggio 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. Dieci B., et al 2024. Calcolo alimentato dal suolo: la guida dell'ingegnere alla progettazione pratica delle celle a combustibile microbiche nel suolo. Pubblicato: 12 gennaio 2024. Atti dell'ACM sulle tecnologie interattive, mobili, indossabili e ubiqui. Volume 7 Numero 4Articolo n.: 196pp 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Università nordoccidentale. La cella a combustibile alimentata da News-Dirt funziona per sempre. Pubblicato il 12 gennaio 2024. Disponibile su https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

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