เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ในดิน (SMFCs): การออกแบบใหม่อาจเป็นประโยชน์ต่อสิ่งแวดล้อมและเกษตรกร 

เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ในดิน เซลล์ (SMFCs) ใช้แบคทีเรียที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในดินเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ในฐานะแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่มีการกระจายอำนาจในระยะยาว SMFC สามารถนำไปใช้งานอย่างต่อเนื่องเพื่อการตรวจสอบสภาพแวดล้อมต่างๆ แบบเรียลไทม์ และยังสามารถมีส่วนร่วมในการเติบโตของความแม่นยำอีกด้วย การทำฟาร์ม และเมืองอัจฉริยะ อย่างไรก็ตาม แม้ว่าจะมีมานานกว่าศตวรรษแล้ว แต่การใช้งานจริงของ SMFC นั้นแทบจะไม่มีอยู่เลย เนื่องจากเอาต์พุตกำลังไม่สอดคล้องกัน ปัจจุบันไม่มี SMFC ที่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างสม่ำเสมอนอกสภาวะที่มีความชื้นสูง ในการศึกษาล่าสุด นักวิจัยได้สร้างและเปรียบเทียบเวอร์ชันการออกแบบที่แตกต่างกัน และพบว่าการออกแบบเซลล์แนวตั้งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ และทำให้ SMFC มีความยืดหยุ่นต่อการเปลี่ยนแปลงความชื้นในดินมากขึ้น   

จุลินทรีย์ เซลล์เชื้อเพลิง (MFCs) คือเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยการแปลงพลังงานในพันธะเคมีของ อินทรีย์ สารประกอบให้เป็นพลังงานไฟฟ้าผ่านการเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพโดยจุลินทรีย์ อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาในช่องแอโนดโดยปฏิกิริยาออกซิเดชันของแบคทีเรียของสารตั้งต้นจะถูกถ่ายโอนไปยังแคโทด โดยที่พวกมันจะรวมตัวกับออกซิเจนและไอออนไฮโดรเจน  

ปฏิกิริยาทางชีวเคมีภายใต้สภาวะแอโรบิก เช่น สำหรับอะซิเตตเป็นสารตั้งต้นคือ: 

ปฏิกิริยาออกซิเดชันครึ่งหนึ่งบนขั้วบวก 

CH₃ประธานเจ้าหน้าที่ฝ่ายปฏิบัติการ^- + 3H₂O → CO₂ +เอชซีโอ₃^- + 8H⁺ +8อี^-  

ลดปฏิกิริยาครึ่งหนึ่งของแคโทด 

เกี่ยวกับ 2 ₂ + 8 ชม ⁺ + 8 nd ^-   → 4 ชั่วโมง ₂ O 

ในสภาพแวดล้อมแบบไม่ใช้ออกซิเจน MFC สามารถใช้ขยะชีวภาพเป็นสารตั้งต้นเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าได้ 

MFC มีศักยภาพในการแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อมด้านพลังงานที่ยั่งยืน ภาวะโลกร้อน และการจัดการขยะชีวภาพ มีกรณีที่แข็งแกร่งสำหรับการใช้งานในพื้นที่ที่แบตเตอรี่เคมีทั่วไปและแผงโซลาร์เซลล์ไม่เป็นไปตามที่คาดหวัง เช่น ในโครงสร้างพื้นฐานสีเขียว ทุ่งหญ้า พื้นที่ชุ่มน้ำ หรือใต้ดิน ในพื้นที่เหล่านี้ แผงโซลาร์เซลล์จะไม่ทำงานในตอนกลางคืนและมักถูกสิ่งสกปรกหรือพืชพรรณปกคลุมไปด้วยในขณะที่มีส่วนประกอบของสารเคมี แบตเตอรี่ รั่วไหลออกสู่สิ่งแวดล้อม เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ในดิน เซลล์ (SMFC) มาในฐานะแหล่งพลังงานที่ยั่งยืนในพื้นที่เกษตรกรรม ทุ่งหญ้า ป่าไม้ และพื้นที่รกร้างเพื่อใช้เป็นพลังงานให้กับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำ  

เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ในดิน (SMFCs) ใช้แบคทีเรียที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในดินเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม SMFC สามารถผลิตพลังงานได้สูงถึง 200 μW โดยมีแรงดันไฟฟ้า 731 mV ในฐานะที่เป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่มีการกระจายอำนาจในระยะยาว SMFC จึงสามารถนำไปใช้ได้ตลอดไปสำหรับการตรวจสอบสภาพแวดล้อมต่างๆ แบบเรียลไทม์และนโยบายแนวทาง สิ่งเหล่านี้ยังสามารถส่งผลต่อการเติบโตของเมืองอัจฉริยะและ ฟาร์ม.  

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าจะมีมานานกว่าศตวรรษแล้ว แต่การใช้งานจริงของ SMFC ในระดับพื้นดินนั้นมีจำกัดมาก ปัจจุบันไม่มี SMFC ที่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างสม่ำเสมอนอกสภาวะที่มีความชื้นสูง ความไม่สอดคล้องกันของกำลังไฟฟ้าที่ส่งออกมีสาเหตุมาจากความแตกต่างในสภาวะแวดล้อม ความชื้นในดิน ชนิดของดิน จุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ในดิน ฯลฯ แต่การเปลี่ยนแปลงของความชื้นในดินมีผลสูงสุดต่อความสม่ำเสมอของกำลังไฟฟ้าที่ส่งออก เซลล์จำเป็นต้องคงความชุ่มชื้นและออกซิเจนอย่างเพียงพอเพื่อให้ได้พลังงานที่สม่ำเสมอ ซึ่งอาจเป็นปัญหาที่ยากเมื่อฝังใต้ดินในดินแห้ง   

การออกแบบเซลล์แนวตั้งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและทำให้ SMFC มีความยืดหยุ่นมากขึ้นต่อการเปลี่ยนแปลงความชื้นในดิน  

การศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้ (เกี่ยวข้องกับกระบวนการออกแบบซ้ำๆ เป็นระยะเวลา 2 ปี พร้อมด้วยข้อมูลการปรับใช้ SMFC รวมกันเก้าเดือน) ได้ทดสอบการออกแบบเซลล์อย่างเป็นระบบเพื่อให้ได้แนวทางการออกแบบทั่วไป ทีมวิจัยได้สร้างและเปรียบเทียบเวอร์ชันที่แตกต่างกันสี่เวอร์ชัน รวมถึงการออกแบบแบบดั้งเดิมที่ทั้งแคโทดและแอโนดขนานกัน การออกแบบแนวตั้ง (เวอร์ชัน 3: การวางแนวแอโนดในแนวนอนและการวางแนวแคโทดในแนวตั้งฉาก) พบว่าเซลล์เชื้อเพลิงมีประสิทธิภาพดีที่สุด ทำงานได้ดีในช่วงความชื้นตั้งแต่น้ำท่วมจนถึงแห้ง  

ในการออกแบบแนวตั้ง แอโนด (ทำจากคาร์บอนเพื่อจับอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแบคทีเรีย) จะถูกฝังอยู่ในดินชื้นที่ตั้งฉากกับพื้นผิวพื้นดิน ในขณะที่แคโทด (ทำจากโลหะเฉื่อยและเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า) วางในแนวตั้งบนยอดแอโนดในแนวนอนที่พื้นดิน ระดับที่ออกซิเจนพร้อมสำหรับปฏิกิริยารีดักชันครึ่งหนึ่ง  

กำลังไฟฟ้าที่ส่งออกสำหรับการออกแบบจะสูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญตลอดระยะเวลาที่เซลล์ถูกน้ำท่วม มันทำงานได้ดีจากสภาพใต้น้ำที่สมบูรณ์ไปจนถึงค่อนข้างแห้ง (น้ำ 41% โดยปริมาตร) อย่างไรก็ตาม ยังคงต้องมีปริมาณน้ำตามปริมาตร (VWC) สูง 41% เพื่อให้ยังคงทำงานอยู่  

การศึกษานี้ตอบคำถามเกี่ยวกับแง่มุมการออกแบบของ SMFC เพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอและความยืดหยุ่นต่อการเปลี่ยนแปลงของความชื้น เนื่องจากผู้เขียนได้เปิดตัวการออกแบบ บทช่วยสอน และเครื่องมือจำลองทั้งหมดให้สาธารณชนนำไปใช้และต่อยอดได้ หวังว่าสิ่งนี้น่าจะแปลไปสู่การใช้งานที่กว้างขึ้นในด้านต่างๆ เช่น การทำฟาร์มแบบแม่นยำในอนาคตอันใกล้นี้  

*** 

อ้างอิง:  

1. Vishwanathan AS, 2021. เซลล์เชื้อเพลิงของจุลินทรีย์: บทวิจารณ์ที่ครอบคลุมสำหรับผู้เริ่มต้น 3 เทคโนโลยีชีวภาพ 2021 พฤษภาคม; 11(5): 248. เผยแพร่ออนไลน์ 01 พฤษภาคม 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. เท็น บ. อัล et 2024. คอมพิวเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยดิน: คู่มือวิศวกรเกี่ยวกับการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ในดินเชิงปฏิบัติ เผยแพร่:12 มกราคม 2024 การดำเนินการของ ACM เกี่ยวกับเทคโนโลยีเชิงโต้ตอบ อุปกรณ์พกพา อุปกรณ์สวมใส่ได้ และแพร่หลาย เล่มที่ 7 ฉบับที่ 4หมายเลขบทความ: 196หน้า 1–40 ดอย: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. มหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์น. เซลล์เชื้อเพลิงที่ขับเคลื่อนด้วยสิ่งสกปรกจะทำงานตลอดไป โพสต์เมื่อวันที่ 12 มกราคม 2024 มีจำหน่ายที่ https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***