سلول های سوخت میکروبی انقلابی در آینده تولید برق

گادفری کیاس | دانشگاه وست مینستر

گفته می شود تا سال 2050 جمعیت جهان به 9.5 میلیارد نفر برسد. از آنجایی که در حال حاضر بیشتر انرژی مورد نیاز ما از سوخت‌های فسیلی تولید می شود، وقتی صحبت از تولید برق کافی برای این همه جمعیت و نیز در کنار آن مقابله با تغییرات اقلیم مطرح می‌شود، چالش‌ بزرگی پیش روی ما قرار خواهد گرفت.

در سال های اخیر ایده هایی مطرح شده است که می توان برق را از باکتری ها تولید کرد. این تولید برق از باکتری ها در دستگاهی به نام سلول‌های سوخت میکروبی (MFCs) صورت خواهد گرفت. این سلول های سوخت میکروبی بر توان طبیعی میکروارگانیسم هایی متکی است که قادرند فلز را «استنشاق» کنند، و با تغییر الکترون ها برق تولید کنند. این فرایند را می توان با استفاده از موادی به نام زیرلایه که حاوی ارگانیسم هایی است که در فاضلاب ها یافت می شوند، توسعه داد.

هم اکنون سلول های سوخت میکروبی توان این را دارند تا برق مورد نیاز برای راه اندازی دستگاه های کوچکی چون ماشین حساب ها، پنکه های کوچک و لامپ های ال ای دی را تولید کنند. ما در آزمایشگاه خودمان توانستیم لامپ های درخت کریسمس را با استفاده از «فاضلاب» روشن کنیم. اما اگر تکنولوژی توسعه یابد می توان امیدهای بیشتری خلق کرد.

MFCs از سیستم آند و کاتد استفاده می کند که در آن الکترودها از یک سیالی عبور می کنند.سیستم های معمول MFC شامل محفظه جداگانه آند و کاتد هستند که جداسازی آنها با استفاده از یک غشا صورت می گیرد. باکتری ها بر روی آند رشد می کنند و مواد زیر لایه را تبدیل به دی اکسید کربن، پروتن و الکترون می کنند.

الکترون های تولیدی از میان یک مدار جریان به سمت محفظه کاتد می روند، اما پروتون ها از میان غشل عبور می کنند. در محفظه کاتد، واکنش بین پروتون و الکترون با استفاده از اکسیژن آب تولید می کند. و تا زمانی که زیرلایه ها به طور مدارم تبدیل و تغییر می یابند، جریان الکترون ها ادامه می یابد که همان برق است.

تولید برق از طریق MFCs مزایای مختلفی دارد: سیستم را می توان هر جایی به راه انداخت؛ لجن کمتری نسبت به متدهای متداول تصفیه فاضلاب مثل لجن فعال تولید می کند؛ هم می توان به صورت دستگاه کوچک و هم دستگاهی بزرگ آن را استفاده کرد؛ مقاومت بالایی در مقابل شوری دارند و در دمای اتاق می توان از آن استفاده کرد.

در دسترس بودن مواد زیرلایه هم می تواند عاملی باشد برای انقلاب تولید برق در آینده. این مواد که شامل اوره، مواد آلی فاضلاب، مواد تشرح شده از گیاهان زنده در داخل خاک، و زائدات معدنی مثل سولفات ها هستند.

1- برق از اوره

مواد قابل تجزیه در فاضلاب انسانی را می توان به برق تبدیل کرد. این کار در سلول های سوخت میکروبی در غنا آزمایش پس داده است. در این پروژه توالت‌ها به عنوان نیروگاه های برق به‌القوه آینده استفاده شده اند. توالتی که دو سال از آن استفاده شده باشد می تواند 268 نانو وات ساعت در واحد مترمکعب برق تولید کند که معادل برق لازم برای روشن کردن یک لامپ ال ای دی در داخل اتاقک توالت است.

برای جاهایی که شبکه برق ندارند استفاده از برق تولیدی از فاضلاب توالت می تواند یک انقلاب باشد.

2- MFCs گیاهی

یکی دیگر از راه های تولید انرژی تجدیدپذیر از مواد زیر لایه پایدار استفاده از مواد ترشحی ریشه گیاهان است. وقتی گیاه رشد می کند کربوهیدرات هایی چون گلوکز تولید می کند که از طریق سیستم ریشه تشرح می شود. میکروارگانیسم های نزدیک ریشه کربوهیدرات ها را به پروتئین، الکترون و دی اکسید کربن تبدیل می کنند.

در یک MFCs گیاهی، پروتن ها از یک غشا رد می شود و با ترکیب با هیدروژن چرخه انتقال الکترون را کامل می کنند. با اتصال این بار به یک مدار، الکتریسیته تولیدی را می توان برداشت کرد.

3- سلول های نمک زدایی میکروبی

گزینه دیگر برای سلول های سوخت میکروبی، سلول های نمک زدایی میکروبی هستند. این تجهیزات می توانند با استفاده از باکتری ها برق تولید کنند آن هم مثلا از فاضلاب، در حالی که همزمان عمل نمک زدایی از آب را نیز انجام می دهند. آبی که باید نمک زدایی شود در محفظه ای بین آند و کاتد ساندویج شده است، محفظه ای که در آن غشای منفی برای آند و مثبت برای کاتد استفاده شده است.

وقتی باکتری در محفظه آند فاضلاب را مصرف می کند پروتون آزاد می شود. این پروتون ها قادر نیستند از میان غشای آند عبور کنند بنابراین یون های منفی از آب شور به طرف محفظه آند حرکت می کنند. در قسمت کاتد هم پروتون ها مصرف می شود بنابراین یون های مثبت از آب شور به سمت محفظه کاتد حرکت می کنند و آب نمک زدایی شده در مخفظه داخل مابین آند و کاتد باقی می ماند. یون های وارد شده به محفظه آند و کاتد کار تولید برق را بهبود می بخشند.

در حال حاضر روش های متداول نمک زدایی از آب بسیار انرژی بر و هزینه بر هستند. فرایندی که بتواند آب را نمک زدایی کند آن هم در مقیاس بالا و از طرفی به جای مصرف برق، برق را تولید کند یک انقلاب در این عرصه می باشد.

 4- بهبود بازده گاز طبیعی

تجزیه بی هوازی، یعنی تجزیه مواد زائد توسط میکروارگانیسم ها بدون حضور اکسیژن، برای بازیافت انرژی از فاضلابها کاربرد دارد و در این فرایند بیوگاز، عمدتا متان، تولید می شود. اما این فرایند معمولا بهره وری لازم را ندارد.

تحقیقات جدید می گوید گروه های میکروبی داخل این هاضم ها الکترون مبادله می کنند، بنابراین می توان بر متابولیسم آنها از این طریق تاثیر گذاشت.

دانشمدان می توانند با اضافه کردن ولتاژی بسیار کم به یک هاضم بی هوازی، که به نام فرایند الکترومتانوژنیز خوانده می شود، برداشت متان از این هاضم ها به طور قابل توجهی بالا برند.

در حالی که سلول های سوخت میکروبی قادر هستند برق را در تجهیزاتی بسیار کوچک تولید کنند، محققان به دنبال راهی هستند تا این راکتورها را بزرگ تر و مقدار برق تولیدی را بیشتر کنند.

در این میان استارت آپ های کوچکی هم هستند که به دنبال تجاری سازی این تحقیقات هستند.

در آینده این سلولهای سوختی میکروبی قادر خواهند بود برق را برای ماموریت های فضایی بشر تولید کنند.