Pedeorelha | Hvordan plante-mikrobielle drivstoffceller fungerer

Yurii Mongol
0
2320
89

Hvis plante-mikrobielle brenselceller fanger opp, kan risplanter som disse bety energi så vel som mat. Vil du lære mer? Sjekk ut disse alternative bilene til kjøretøy. Creative Commons / midorisyu (under CC BY 2.0-lisens)

Direkte eller indirekte er nesten alt liv på jorden solcelledrevet.

Planter konverterer sollys til organiske forbindelser som, når de konsumeres av annet liv, overfører solens energi til resten av matveven. Som mennesker får vi tilgang til denne lagrede energien gjennom fordøyelsen og ved å brenne rå eller bearbeidede planter. Petroleum er bare langdød organisk materiale transformert av geologiske krefter, og første generasjons biodrivstoff blir egret opp fra mais, sukkerrør og vegetabilsk olje [kilde: The New York Times].

Dessverre er petroleum like fullpakket med miljø- og sikkerhetsproblemer som energi, og førstegenerasjons biodrivstoff - som er foredlet ved å forbrenne andre drivstoff - kommer godt under karbonneutralitet. Verre er det, siden globale matavlinger bokstavelig talt mister terreng for biodrivstoffproduksjon, øker mangelvare på matvareprisene, sult og politisk ustabilitet [kilde: The New York Times].

Men hva hvis det var en måte å ha ris og brenne den også? Hva om vi kunne hente energi fra avlinger uten å drepe dem, eller generere kraft ved bruk av planter og land som ikke er nødvendig for mat, gjennom kraften fra mikrober? Det er ideen bak plante-mikrobielle brenselceller (PMFCs).

Når det gjelder å få livet til å fungere, får planter kanskje all god press, men det er den mye ondartede mikroben som holder næringskjeden sammen. Spesielt cyanobakterier er med på å danne sin base; tarmmikrober hjelper oss med å fordøye maten fra den; og jordbakterier gjør det resulterende avfallet til næringsstoffer som planter kan bruke.

I flere tiår har forskere gravd rundt etter mulige måter å hente krefter fra denne mikrobielle metabolismen. På 1970-tallet begynte deres innsats å bære frukt i form av mikrobielle brenselceller (MFCer) - enheter som genererer elektrisitet direkte fra en kjemisk reaksjon katalysert av mikrober [kilde: Rabaey og Verstraete]. MFC-er tilbyr fornybare laveffektalternativer for overvåking av forurensning, rengjøring og avsalting av vann og til å drive eksterne sensorer og instrumenter.

Det er selvfølgelig en fangst: MFC-er fungerer bare så lenge de har noe å snu på - typisk organisk materiale i avløpsvannet [kilder: Deng, Chen og Zhao; ONR]. Forskere skjønte at de kunne levere avfallet - en uendelig solcelledrevet buffé av det - direkte til jordmikrober fra planter selv, og frøet til en idé ble plantet.

I 2008 publiserte forskere artikler som kunngjorde den første av disse plantedrevne MFC-ene, og potensialet ble stadig tydeligere [kilder: Deng, Chen og Zhao; De Schamphelaire et al .; Strik et al.]. Ved å bruke denne skalerbare teknologien kan landsbyer og gårder i utviklingsland bli selvforsynt, mens industrialiserte nasjoner kunne redusere sine drivhusavtrykk ved å trekke kraft fra våtmarker, drivhus eller bioraffinerier [kilder: Doty; PlantPower].

Kort sagt er PMFC-er et nyere, grønnere spinn på "kraftverk" - kanskje.

innhold

Det er ikke noe sted som loam
PMFC-er: Alle våte eller fremragende på sitt felt?
Fra petroleum til ploger

Jord, som det viser seg, er full av uutnyttet (elektrisk) potensiale.

Når grønne planter driver med fotosyntesen - konvertering av energi fra sollys til kjemisk energi, for deretter å lagre den i sukker som glukose - utstråler de avfallsstoffer gjennom røttene sine til et jordlag kjent som rhizosphere. Der tøffer bakterier ned plantenes avsminkede celler, sammen med proteiner og sukker som frigis av røttene [kilde: Ingham].

I PMFC-termer betyr dette at så lenge planten lever, har bakteriene et måltidsbillett og brenselcellen genererer kraft. Den første loven om termodynamikk, som noen oversetter som "det er ikke noe som heter en gratis lunsj," gjelder fortsatt fordi systemet mottar energi fra en ekstern kilde, nemlig solen.

Men hvordan i all verden, eller under den, genererer mikrober strøm bare ved å konsumere og metabolisere mat? Som med kjærlighet eller bakervarer, kommer alt til kjemi.

Stort sett fungerer MFC-er ved å skille to halvdeler av en elektro-biokjemisk prosess (metabolisme) og koble dem sammen til en elektrisk krets. For å forstå hvordan, la oss se på cellemetabolismen i detalj.

I lærebokeksemplet som følger, reagerer glukose og oksygen for å produsere karbondioksid og vann [kilder: Bennetto; Rabaey og Verstraete].

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6C_O2 + 6H₂O

Men i individuelle celler - eller encellede organismer som bakterier - glanses denne brede uttalelsen over en serie mellomtrinn. Noen av disse trinnene frigjør midlertidig elektroner som vi alle vet er nyttige for å generere strøm. Så i stedet for at glukose og oksygen reagerer for å produsere karbondioksid og vann, produserer glukose og vann karbondioksid, protoner (positivt ladede hydrogenioner (H)⁺)) og elektroner (e^-) [kilder: Bennetto; Rabaey og Verstraete].

C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 6CO₂ + 24H⁺ + 24E^-

I en PMFC definerer denne halvparten av prosessen halvparten av brenselcellen. Denne delen ligger i rhizosfæren med planterøttene, avfallet og bakteriene. Den andre halvparten av cellen ligger i oksygenrikt vann på motsatt side av en permeabel membran. I en naturlig setting dannes denne membranen av jord-vanngrensen [kilder: Bennetto; Rabaey og Verstraete; Deng, Chen og Zhao].

I andre halvdel av cellen kombineres frie protoner og elektroner med oksygen for å produsere vann, slik:

6O₂ + 24H⁺ + 24E^- → 12H₂O

Protoner når denne andre halvdelen ved å strømme over ionebyttermembranen, og skaper en netto positiv ladning - og et elektrisk potensiale som får elektroner til å strømme langs den eksterne tilkoblingsledningen. Voila! Elektrisk strøm [kilder: Bennetto; Rabaey og Verstraete; Deng, Chen og Zhao].

Men hvor mye?

Rooting ut potensielle problemer

Å bestemme PMFCs miljøpåvirkning vil kreve ytterligere forskning på en rekke områder, inkludert hvordan elektroder påvirker rotmiljøet. De kan potensielt redusere næringsstofftilgjengeligheten, for eksempel eller redusere en plantes evne til å bekjempe infeksjon [kilde: Deng, Chen og Zhao].

Fordi de fungerer best i noen av våre mest beskyttede land - våtmarker og avlingsland - kan PMFC-ere møte en bratt miljøgodkjenningsprosess. På den annen side kan MFC-spill i avløpsvann oksidere ammonium og redusere nitrater, så det er mulig at plantebaserte MFC-er kan balansere risikoen ved å beskytte våtmarker mot avrenning fra landbruket [kilder: Deng, Chen og Zhao; Miller; Tweed].

Fra 2012 produserer ikke PMFC-er mye energi og fungerer bare i vannmiljøer, med planter som vass mannagrass (Glyceria maxima), ris, vanlig cordgrass (Spartina anglica) og gigantisk vass (Arundo donax) [kilder: Deng, Chen og Zhao; PlantPower]. Hvis du løp over et felt med PMFC-er, som takplasteret ved Netherlands Institute of Ecology i Wageningen, ville du aldri visst at det var noe mer enn en samling av planter, bortsett fra den fargerike ledningen som trekker ut fra jorden [kilde: Williams].

Likevel fortsetter deres potensielle bruksområder for å takle andre globale bærekraftproblemer, inkludert belastningen som biodrivstoff legger på et allerede overbelastet globalt matforsyningssystem, inspirere forskere og minst en utforskende satsning, 5,23 millioner euro-prosjektet PlantPower [kilder: Deng , Chen og Zhao; PlantPower; Tenenbaum].

Fordi PMFC allerede jobber med vannplanter, trenger ikke bønder og landsbyer dumpe sine vannbaserte risavlinger for å implementere dem. I større skala kunne lokalsamfunn sette opp PMFC i våtmarker eller områder med dårlig jordkvalitet, og unngå landkonkurranse mellom energi og matproduksjon [kilde: Strik et al.]. Produserte innstillinger som drivhus kan produsere energi gjennom året, men jordbrukslandproduksjon av elektrisitet vil avhenge av vekstsesongen [kilde: PlantPower].

Å produsere mer energi lokalt kan redusere karbonutslipp ved å redusere etterspørselen etter drivstoffforsendelse - i seg selv en viktig bidragsyter i klimagasser. Men det er en fangst, og den er ganske betydelig: Selv om PMFC-er blir så effektive som mulig, står de fremdeles overfor en flaskehals - den fotosyntetiske effektiviteten og avfallsproduksjonen til selve anlegget.

Planter er overraskende ineffektive med å omdanne solenergi til biomasse. Denne konverteringsgrensen kommer delvis fra kvantefaktorer som påvirker fotosyntesen og delvis fra det faktum at kloroplast bare absorberer lys i 400-700 nanometerbåndet, som utgjør omtrent 45 prosent av innkommende solstråling [kilde: Miyamoto].

De to mest utbredte typene fotosyntetiserende planter på jorden er kjent som C3 og C4, så navngitt på grunn av antall karbonatomer i de første molekylene de danner under CO₂ sammenbrudd [kilder: Seegren, Cowcer og Romeo; SERC]. Den teoretiske konverteringsgrensen for C3-planter, som utgjør 95 prosent av plantene på jorden, inkludert trær, topper bare 4,6 prosent, mens C4-planter som sukkerrør og mais klatrer nærmere 6 prosent. I praksis oppnår imidlertid hver av disse plantetypene generelt bare 70 prosent av disse verdiene [kilder: Deng, Chen og Zhao; Miyamoto; SERC].

Med PMFC-er, som med alle maskiner, går man tapt litt energi i å drive verkene - eller, i dette tilfellet, i å dyrke anlegget. Av biomassen som er bygd av fotosyntesen, når bare 20 prosent rhizosfæren, og bare 30 prosent av det blir tilgjengelig for mikrober som mat [kilde: Deng, Chen og Zhao].

PMFC-er gjenvinner rundt 9 prosent av energien fra den resulterende mikrobielle metabolismen som elektrisitet. Til sammen utgjør det en PMFC solenergi-elektrisk konverteringsfrekvens som nærmer seg 0,017 prosent for C3-anlegg ((70 prosent av 4,6 prosent konverteringsfrekvens) x 20 prosent x 30 prosent x 9 prosent) og 0,022 prosent for C4-anlegg (0,70 x 6,0 x 0,20 x 0,30 x 0,09) [kilder: Deng, Chen og Zhao; Miyamoto; SERC].

Faktisk tror noen forskere at disse antagelsene kan undervurdere potensialet til PMFC-er, noe som bare kan være gode nyheter for forbrukerne.

Det er hydromatisk

Interessen for brenselceller, som gjør det mulig for biler å dekke mer miles enn batterikraft alene og lettere implementeres i store kjøretøyer, fortsatte å øke siden november 2012 [kilde: Ko]. Men mens hydrogendrivstoff kan virke grønt, krever produksjonen mye strøm, noe som gjør det til alt annet enn karbon-nøytralt [kilde: Wüst]. PMFC-er, som naturlig produserer hydrogengass, kan by på håp om virkelig grønn hydrogendrivstoffproduksjon.

Du ser på to forskjellige design for PMFC-er, som begge ble plassert på et tak i Wageningen, Nederland. Image høflighet Marjolein Helder / Plant-e

Som enhver ny teknologi, står PMFC-er for en rekke utfordringer; for eksempel trenger de et underlag som samtidig favoriserer plantevekst og energioverføring - to mål som noen ganger er i strid. Forskjeller i pH mellom de to cellehalvdelene, for eksempel, kan føre til tap av elektrisk potensial, da ioner "kort" over membranen for å oppnå kjemisk balanse [kilde: Helder et al.].

Hvis ingeniører kan utarbeide knekkene, kan PMFC-er imidlertid ha et stort og variert potensial. Det hele kommer ned på hvor mye energi de kan produsere. Ifølge et estimat fra 2008 kommer det magiske antallet inn på rundt 21 gigajoules (5 800 kilowatt-timer) per hektar (2,5 dekar) hvert år [kilde: Strik et al.]. Nyere forskning har estimert at antallet kan gå så høyt som 1000 gigajoules per hektar [kilde: Strik et al.]. Noen flere fakta for perspektiv [kilder: BP; Europakommisjonen]:

Et fat olje inneholder rundt 6 gigajoules kjemisk energi.
Europa er hjemsted for 13,7 millioner bønder, med hver gård i gjennomsnitt 12 hektar (29,6 dekar).
Til sammenligning har Amerika 2 millioner bønder i gjennomsnitt 180 hektar (444,6 dekar) hver.

Basert på disse tallene, hvis 1 prosent av amerikanske og europeiske jordbruksarealer ble konvertert til PMFC, ville de gitt et anslag for konvolutten på 34,5 millioner gigajoules (9,58 milliarder kilowattimer) årlig for Europa og 75,6 millioner gigajoules (20,9 milliarder kilowattimer) årlig for Amerika.

Til sammenligning forbrukte de 27 EU-landene i 2010 1 759 millioner tonn oljeekvivalent (TOE) i energi, eller 74,2 milliarder gigajoules (20,5 billioner kilowatt-timer). TOE er en standardisert enhet for internasjonal sammenligning, lik energien i et tonn petroleum [kilder: EU-kommisjonen; Universcience].

I dette forenklede scenariet gir PMFC-er en dråpe i en veldig stor energibøtte, men det er et forurensningsfritt fall, og et dråpe som genereres fra frodige landskap i stedet for røykfremkallende kraftverk eller fuglesprengende vindparker.

Dessuten er det bare begynnelsen. Forskere jobber allerede med mer effektive bakterier med avfall og slynger seg, og mellom 2008 og 2012, fremskritt innen substratkjemi mer enn doblet elektrisk produksjon i noen PMFC-er. PlantPower hevder at PMFC-er, når de var perfeksjonert, kunne gi så mye som 20 prosent av Europas primærenergi -- det vil si energi som stammer fra ikke-transformerte naturressurser [kilde: Øvergaard; PlantPower].

PMFC-er må bli billigere og mer effektive før de kan glede seg over bred implementering, men fremgang pågår. Allerede sparer mange MFC-er penger ved å produsere elektroder fra meget ledende karbonduk i stedet for edle metaller eller kostbar grafittfilt [kilder: Deng, Chen og Zhao; Tweed]. Fra 2012 kostet det $ 70 for å betjene et oppsett på en kubikkmeter under laboratorieforhold.

Når vet man potensialet deres for å fjerne forurensninger og redusere klimagasser, hvem vet da? PMFCs kan skaffe investor og myndigheters interesse til å bli fremtidens kraftverk - eller plante frøet for en enda bedre ide [kilde: Deng, Chen og Zhao].

Forfattere Merk: Hvordan plante-mikrobielle drivstoffceller fungerer

Hvis du tenker på det, å bygge et batteri som kan gå tom for bakterielle fordøyelsesprosesser, bringer oss ett skritt nærmere cyborgs og selvdrevne maskiner. Menneskekroppen er avhengig av tarmbakterier for å omdanne mat til energi; hvis vi kunne benytte oss av denne prosessen for å juice brenselceller, kan vi også gi deg kroppslige implantater, for eksempel pacemakere.

Forskere ved Harvard Medical School og Massachusetts Institute of Technology har allerede tåket denne linjen og konstruert en hjernebrikke drevet av glukose, som den høster fra resirkulert cerebrospinalvæske [kilde: Rapoport, Kedzierski og Sarpeshkar]. Kan cyberbrains være langt etter? (Vel, ja, sannsynligvis).

Bare tenk deg: Vi kunne bygge maskiner som beiter! OK, det høres kanskje ikke så sexy ut som strålepistoler og rakettskip, men slike maskiner kan forbli aktive i feltet på ubestemt tid uten behov for lading eller nye batterier. En samling av MFC-er kunne danne en provisorisk tarm, og hente strøm fra plantens glukose.

Skulle noen forfølge denne ideen, håper jeg at de vil ansette PMFC-er. Jeg ser for meg flokker med hvite keramiske roboter dekket i Salvia hispanica, og jeg stiller spørsmålet:

Drømmer androider om elektriske Chia Pets?

relaterte artikler

Kan kroppen min generere kraft etter at jeg dør?
Hvordan brenselceller fungerer
Hvordan jordlamper fungerer
Hva er et ølbatteri?

kilder

Bennetto, H.P. "Elektrisitetsproduksjon av mikroorganismer." Bioteknologiutdanning. Vol. 1, nei. 4. Side 163. 1990. (10. januar 2013) http://www.ncbe.reading.ac.uk/ncbe/protocols/PRACBIOTECH/PDF/bennetto.pdf
British Petroleum. "Gigajoules." Ordliste. (10. januar 2013) http://www.bp.com/glossaryitemlinks.do?contentId=7066767&alphabetId=7&categoryId=9036141
Deng, Huan, Zheng Chen og Feng Zhao. "Energi fra planter og mikroorganismer: Fremgang i plantemikrobielle drivstoffceller." ChemSusChem. Vol. 5, nei. 6. Side 1006. juni 2012. (10. januar 2013) http://www.researchgate.net/publication/51871942_Energy_from_Plants_and_Microorganisms_Progress_in_Plant-Microbial_Fuel_Cells/file/9fcfd4fe35d29c822c.pdf
De Schamphelaire, Liesje et al. Mikrobielle drivstoffceller som genererer elektrisitet fra rhizodeposits av risplanter. Miljøvitenskap og teknologi. Vol. 42, gnr. 8. Side 3053. mars 2008.
Dillow, Clay. "Mikrobiell brenselcelle renser avløpsvann, desalinerer sjøvann og genererer kraft." Populærvitenskap. 6. august 2009. (10. januar 2013) http://www.popsci.com/scitech/article/2009-08/microbial-fuel-cell-cleans-wastewater-desalinates-seawater-and-generates-power
Doty, Cate. "For Africa, 'Energy from Dirt.'" The New York Times. 10. november 2008. http://www.nytimes.com/2008/11/11/giving/11AFRICA.html?_r=0
Europakommisjonen. "Den vanlige landbrukspolitikken (CAP) og jordbruket i Europa - ofte stilte spørsmål." 11. juni 2012. (10. januar 2013) http://ec.europa.eu/agriculture/faq/index_en.htm
Europakommisjonen. "Forbruk av energi." (10. januar 2013) http://epp.eurostat.ec.europa.eu/statistics_explained/index.php/Consumption_of_energy
Helder, Marjolein. "Designkriterier for den plantemikrobielle drivstoffcellen." Avhandling, Wageningen University. Forsvarte 23. november 2012.
Helder, Marjolein og Nanda Schrama. Personlig korrespondanse. Januar 2013.
Helder, M. et al. "Nytt plantevekstmedium for økt kraftutgang for plantemikrobiell brenselcelle." Bioresource Technology. Vol. 104. Side 417. januar 2012.
Hortert, Daniel, et al. "Bakgrunn." NASA Goddard Space Flight Center Education hjemmeside. (10. januar 2013) http://education.gsfc.nasa.gov/experimental/all98invProject.Site/Pages/trl/inv2-1.abstract.html
Ingham, Elaine. "Soil Food Web." Naturressurser bevaringstjeneste. (10. januar 2013) http://soils.usda.gov/sqi/concepts/soil_biology/soil_food_web.html
Ko, Vanessa. "Hydrogenbrenselcellebiler ser for å overvinne elektriske biler." CNN. 26. november 2012. (10. januar 2013) http://edition.cnn.com/2012/11/25/business/eco-hydrogen-fuel-cell-cars/index.html
LaMonica, Martin. "Hybrid solcelle treffer høy effektivitet." MIT Technology Review. 5. september 2012. (10. januar 2013) http://www.technologyreview.com/view/429099/hybrid-solar-cell-hits-high-efficiency/
Miller, Brian. "Våtmarker og vannkvalitet." Purdue University. (10. januar 2013) http://www.extension.purdue.edu/extmedia/WQ/WQ-10.html
Miyamoto, Kazuhisa, red. "Fornybare biologiske systemer for alternativ produksjon av bærekraftig energi." FNs organisasjon for mat og jordbruk. 1997. (10. januar 2013) http://www.fao.org/docrep/W7241E/W7241E00.htm
New York Times. "Biodrivstoff". 17. juni 2011. (10. januar 2013) http://topics.nytimes.com/top/news/business/energy-en miljø/biofuels/index.html
Office of Naval Research. "Mikrobielle drivstoffceller." (10. januar 2013) http://www.onr.navy.mil/no/Media-Center/Fact-Sheets/Microbial-Fuel-Cell.aspx
Øvergaard, Sara. "Utgavepapir: definisjon av primær og sekundær energi." September 2008. (10. januar 2013) http://unstats.un.org/unsd/envaccounting/londongroup/meeting13/LG13_12a.pdf
Oxford Dictionary of Science. Alan Isaacs, John Daintith og Elizabeth Martin, red. Oxford University Press, 2003.
PlantPower. "Levende planter i mikrobielle drivstoffceller for ren, fornybar, bærekraftig, effektiv bioenergiproduksjon i situasjonen." 2012. (10. januar 2013) http://www.plantpower.eu/
Rabaey, Korneel og Willy Verstraete. "Mikrobielle drivstoffceller: Roman bioteknologi for energiproduksjon." TRENDER innen bioteknologi. Vol.23, nr.6. Side 291. juni 2005. (10. januar 2013) http://web.mit.edu/pweigele/www/SoBEI/Info_files/Rabaey%202005%20Trends%20Biotechnol.pdf
Seegren, Phil, Brendan Cowcer og Christopher Romeo. "Sammenlignende analyse av RuBisCo-ekspresjon og proteinnivåer i C3- og C4-planter." (10. januar 2013) http://csmbio.csm.jmu.edu/bioweb/bio480/fall2011/winning/Rubiscoooo/Intro.htm
Smithsonian Environmental Research Center (SERC). "C3 og C4 planter." (10. januar 2013) http://www.serc.si.edu/labs/co2/c3_c4_plants.aspx
Strik, David P.B.T.B., et al. "Mikrobielle solceller: Bruk av fotosyntetiske og elektrokjemisk aktive organismer. Trender i bioteknologi." Vol. 29, gnr. 1. Side 41. januar 2011.
Strik, David P.B.T.B., et al. "Grønn elektrisitetsproduksjon med levende planter og bakterier i en brenselcelle." International Journal of Energy Research. Vol. 32, gnr. 9. Side 870. juli 2008. (10. januar 2013) http://www.microbialfuelcell.org/publications/wur/strik_et%20al_2008.pdf
Tenenbaum, David. "Mat kontra drivstoff: Omlegging av avlinger kan føre til mer sult. Miljøperspektiv." Vol. 116, gnr. 6. Side A254. Juni 2008. (10. januar 2013) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2430252/pdf/ehp0116-a00254.pdf
Tweed, Katherine. "Drivstoffcelle behandler avløpsvann og høster energi." Vitenskapelig amerikansk. 16. juli 2012. (10. januar 2013) http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=microbial-fuel-cell-treats-wastewater-harvests-energy
Universcience. "Ton of Oil Equivalent (TOE)." Ordliste. (10. januar 2013) http://www.universcience.fr/no/lexique/definition/c/1248117918831/-/p/1239026795199/lang/an
Williams, Caroline. "Øk din egen strøm." Ny forsker. 16. februar 2012.
Wüst, Christian. "BMWs Hydrogen 7: Ikke så grønt som det ser ut til." Der Spiegel. 17. november 2006. (10. januar 2013) http://www.spiegel.de/international/spiegel/bmw-s-hydrogen-7-not-as-green-as-it-seems-a-448648 .html