يکشنبه ۰۸ مهر ۱۴۰۳
بازدید:۶۸۶۷
صد آنلاین |تیمی از دانشگاه نورث وسترن راه جدیدی را برای تولید الکتریسیته نشان داده اند. آن ها دستگاهی به اندازه یک کتاب را که روی خاک قرار می گیرد و نیرویی را که در اثر شکستن خاک توسط میکروب ها ایجاد می شود (تا زمانی که کربن در خاک وجود داشته باشد) جمع آوری می کند، معرفی کردند.سلول های سوختی میکروبی، همانطور که از نام شان پیداست، بیش از ۱۰۰ سال است که وجود دارند. آنها کمی شبیه به یک باتری، با آند، کاتد و الکترولیت کار می کنند، ولی به جای گرفتن الکتریسیته از منابع شیمیایی، با باکتری هایی کار می کنند که بطور طبیعی الکترون ها را به رساناهای مجاور اهدا می کنند.
این پیل سوختی تازه اختراع شده برای تولید انرژی به میکروب های طبیعی موجود در خاک که در همه جا حاضر هستند، متکی است.
این دستگاه که از خاک نیرو می گیرد، جایگزین مناسبی برای باتری های حسگرهای زیرزمینی است که برای کشاورزی دقیق استفاده می شوند.
پیل سوختی میکروبی (MFC) یا پیل سوختی بیولوژیکی یک سیستم بیوالکتروشیمیایی است که با تقلید از فعالیت باکتری ها که در طبیعت انجام می شود، جریان الکتریکی تولید می کند. سلول سوختی میکروبی نوعی از سیستم سلول های سوختی بیوالکروشیمیایی است که جریان الکتریکی را با منحرف کردن الکترون های تولید شده از اکسیداسیون میکروبی ترکیبات کاهش یافته (که با نام سوخت یا اهداکننده الکترون نیز شناخته می شود) بر روی آند به ترکیبات اکسیدکننده (که به عامل اکسیدکننده یا قبول کننده الکترون نیز معروف است) بر روی کاتد از طریق یک مدار الکتریکی خارجی تولید می کند.
پیل های سوختی را میتوان به دو دسته کلی «با واسطه و بدون واسطه» تقسیم کرد. اولین پیل های سوختی که در اوایل قرن بیستم به نمایش درآمدند، از یک واسطه استفاده کردند که یک ماده شیمیایی بود که الکترون ها را از باکتری (Bacterium) های موجود در سلول به آند منتقل می کند. پیل های سوختی بدون واسطه در دهه ۱۹۷۰ ظهور کردند. در این نوع پیل سوختی، باکتری ها معمولاً دارای پروتئین های فعال الکتروشیمیایی مانند سیتوکروم ها بر روی غشای خارجی خود هستند که می توانند الکترون ها را مستقیماً به آند منتقل کنند.
محققان دانشگاه نورث وسترن دوام پیل سوختی قدرتمند خود را خاطرنشان می کنند و توانایی آن را در مقاومت در برابر شرایط مختلف محیطی از جمله خاک خشک و مناطق مستعد سیل نشان داده اند.
موضوع تا به حال تامین آب و اکسیژن آنها در حالی که در خاک مدفون شده اند، بوده است. بیل ین، فارغ التحصیل دانشگاه نورث وسترن و سرپرست این پروژه می گوید: اگرچه این دستگاه ها بیش از یک قرن است که به عنوان یک مفهوم وجود داشته اند، اما عملکرد نامطمئن و توان خروجی کم آنها تلاش ها برای استفاده عملی از آنها را به ویژه در شرایط کم رطوبت متوقف کرده بود.
بنابراین این تیم شروع به ایجاد چندین طرح جدید با هدف دسترسی مداوم سلول ها به اکسیژن و آب کرد و با طرحی به شکل کارتریج که به صورت عمودی روی یک دیسک افقی قرار دارد، به موفقیت دست یافتند.
آند نمدی کربن دیسکی شکل به صورت افقی در پایین دستگاه قرار دارد و در اعماق خاک میرود، جایی که میتواند الکترون ها را در حالیکه میکروب ها خاک را تجزیه می کنند، جذب کند.
در همین حال، کاتد فلزی رسانا به صورت عمودی در بالای آند قرار دارد. بنابراین قسمت پایین به اندازه کافی به عمق می رود که به رطوبت خاک عمیق دسترسی داشته باشد، در حالیکه قسمت بالایی همسطح با سطح زمین قرار می گیرد و یک شکاف هوای تازه در تمام طول الکترود می گذرد و یک کلاهک محافظ در بالا مانع از ریزش خاک و زباله می شود و دسترسی کاتد به اکسیژن را قطع می کند. بخشی از کاتد نیز با یک ماده عایق آب پوشانده شده است، به طوری که هنگام حضور آب، هنوز یک بخش آبگریز از کاتد در تماس با اکسیژن است تا پیل سوختی کار کند.
محققان از مواد ضد آب بر روی سطح کاتد استفاده کردند که به آن اجازه می دهد در هنگام سیلاب نیز کار کند و خشک شدن تدریجی پس از غوطه وری در آب را تضمین می کند.
جورج ولز، نویسنده ارشد این مطالعه می گوید:این میکروب ها همه جا هستند. آن ها در حال حاضر در همه جا در خاک زندگی می کنند و ما می توانیم از سیستم های مهندسی شده بسیار ساده برای گرفتن برق از آنها استفاده کنیم. ما قرار نیست کل شهرها را با این انرژی تامین کنیم، اما می توانیم مقادیر بسیار کمی از انرژی را برای سوخت رسانی به کاربردهای لازم و کم مصرف جذب کنیم.
ضمن اینکه مواد شیمیایی باقی مانده از باتری ها میتوانند به طور بالقوه به خاک نفوذ کنند. در حالی که این فناوری جدید یک جایگزین سازگار با محیط زیست است که از نگرانی های زیست محیطی مرتبط با اجزای خطرناک باتری ها می کاهد و قابل احتراق نیز نیست.
این طرح در آزمایش بطور مداوم در سطوح مختلف رطوبت خاک، از کاملاً در آب فرو رفته تا نسبتا خشک، موفق عمل کرد و بطور متوسط، حدود ۶۸ برابر بیشتر از آنچه که حسگرهای آن برای کارکردن نیاز دارند، انرژی تولید کرد. همچنین آنقدر قوی بود که از تغییرات شدید رطوبت خاک جان سالم به در برد.
مانند سایر منابع تولید برق بلندمدت مانند باتری های الماس بتاولتائیک که با استفاده از زباله های هسته ای ساخته میشوند، میزان برق تولید شده در اینجا برای راه اندازی یک خودرو یا تامین انرژی یک گوشی هوشمند نیست، بلکه بیشتر برای تامین انرژی حسگرهای کوچک استفاده می شود که می توانند در طولانی مدت بدون نیاز به تعویض منظم باتری کار کنند.
علاوه بر این، پژوهشگران حسگر خاک را به یک آنتن کوچک وصل کردند تا امکان ارتباط بی سیم را فراهم کند. این کار به پیل سوختی اجازه داد تا با انعکاس سیگنال های فرکانس رادیویی موجود، داده ها را به یک ایستگاه نزدیک منتقل کند.
قابل توجه است که این پیل سوختی خاکی با ضریب ۱۲۰ درصد عملکرد بهتری از فناوری مشابه دارد.
بیل ین می گوید:اگر آینده ای را با تریلیون ها دستگاه تصور کنیم، نمی توانیم همه آنها را از لیتیوم، فلزات سنگین و سمومی که برای محیط زیست خطرناک هستند بسازیم. ما باید جایگزین هایی پیدا کنیم که بتوانند مقادیر کم انرژی را برای تامین انرژی یک شبکه غیرمتمرکز از دستگاه ها فراهم کنند. ما در جستجوی راه حل ، به سلول های سوختی میکروبی خاک روی آوردیم که از میکروب های ویژه برای تجزیه خاک و استفاده از آن مقدار کم انرژی استفاده می کنند. تا هنگامی که کربن آلی در خاک وجود داشته باشد تا میکروب ها تجزیه شوند، سلول سوختی ما به طور بالقوه می تواند دوام بیاورد.
بنابراین، حسگرهایی مانند این میتوانند برای کشاورزانی که به دنبال نظارت بر عناصر مختلف خاک شامل رطوبت، مواد مغذی، آلاینده ها و غیره هستند، شود و برای استفاده از یک رویکرد کشاورزی دقیق مبتنی بر فناوری بسیار مفید باشد. بنابراین اگر چندین دستگاه از این نوع را در اطراف مزرعه خود قرار دهید ، آن ها میتوانند سالها و شاید حتی چندین دهه برای شما داده تولید کنند.
گفتنی است که طبق گفته تیم تحقیقاتی، تمام اجزای این دستگاه را می توان از فروشگاه های سخت افزاری خریداری کرد. بنابراین هیچ مشکلی در زنجیره تامین یا مواد برای تجاری سازی گسترده این محصول وجود ندارد.
این پژوهش در مجله ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies منتشر شده است.
369852