Bahan Bakar Mikroba Tanah Sel (SMFC) menggunakan bakteri alami di dalam tanah untuk menghasilkan listrik. Sebagai sumber energi terbarukan yang terdesentralisasi dan berjangka panjang, SMFC dapat terus digunakan untuk memantau berbagai kondisi lingkungan secara real-time dan juga dapat berkontribusi pada pertumbuhan presisi. pertanian dan kota pintar. Namun, meski sudah ada selama lebih dari satu abad, penerapan praktis SMFC hampir tidak ada karena ketidakkonsistenan dalam keluaran listrik. Saat ini, tidak ada SMFC yang dapat menghasilkan listrik secara konsisten di luar kondisi air dengan kelembaban tinggi. Dalam studi terbaru, para peneliti membuat dan membandingkan versi desain yang berbeda dan menemukan bahwa desain sel vertikal meningkatkan kinerja dan membuat SMFC lebih tahan terhadap perubahan kelembapan tanah.
Mikroba sel bahan bakar (MFC) adalah bioreaktor yang menghasilkan listrik dengan mengubah energi dalam ikatan kimia organik senyawa menjadi energi listrik melalui biokatalisis oleh mikroba. Elektron yang dilepaskan di kompartemen anoda oleh oksidasi bakteri pada substrat ditransfer ke katoda di mana elektron tersebut bergabung dengan oksigen dan ion hidrogen.
Reaksi biokimia dalam kondisi aerob, misalnya asetat sebagai substrat adalah:
setengah reaksi oksidasi di anoda
CH3MENDEKUT- + 3H2O → COXNUMX2 +HCO3- + 8H+ +8e-
setengah reaksi reduksi pada katoda
Tentang 2 2 + 8 jam + + 8 nd - → 4H 2 O
Dalam lingkungan anaerobik, MFC dapat menggunakan biowaste sebagai substrat untuk menghasilkan listrik.
MFC memiliki potensi untuk menjadi solusi terhadap isu-isu lingkungan hidup mengenai energi berkelanjutan, pemanasan global dan pengelolaan limbah hayati. Teknologi ini memiliki alasan yang kuat untuk diterapkan di area di mana baterai kimia dan panel surya biasa tidak memenuhi harapan seperti di infrastruktur hijau, padang rumput, lahan basah, atau bawah tanah. Di area ini, panel surya tidak berfungsi pada malam hari dan biasanya tertutup oleh kotoran atau tumbuh-tumbuhan yang mengandung bahan kimia baterai meresap ke dalam lingkungan. Bahan Bakar Mikroba Tanah Sel (SMFC) hadir sebagai sumber energi berkelanjutan di area pertanian, padang rumput, hutan, dan lahan terlantar untuk memberi daya pada perangkat berenergi rendah.
Sel Bahan Bakar Mikroba Tanah (SMFC) menggunakan bakteri alami di dalam tanah untuk menghasilkan listrik. Dalam kondisi optimal, SMFC dapat menghasilkan daya hingga 200 μW dengan tegangan 731 mV. Sebagai sumber energi terbarukan yang terdesentralisasi dan berjangka panjang, SMFC dapat terus digunakan untuk memantau berbagai kondisi lingkungan secara real-time dan memandu kebijakan. Hal ini juga dapat berkontribusi pada pertumbuhan kota pintar dan peternakan.
Namun, meskipun sudah ada selama lebih dari satu abad, penerapan praktis SMFC di lapangan masih sangat terbatas. Saat ini, tidak ada SMFC yang dapat menghasilkan listrik secara konsisten di luar kondisi air dengan kelembaban tinggi. Ketidakkonsistenan dalam output daya disebabkan oleh perbedaan kondisi lingkungan, kelembaban tanah, jenis tanah, mikroba yang menghuni tanah, dll. Namun perubahan kelembaban tanah mempunyai pengaruh maksimum pada konsistensi output daya. Sel-sel harus tetap terhidrasi dan teroksigenasi secara memadai untuk menghasilkan daya yang konsisten yang mungkin menjadi masalah sulit ketika terkubur di bawah tanah di tanah kering.
Desain sel vertikal meningkatkan kinerja dan membuat SMFC lebih tahan terhadap perubahan kelembapan tanah.
Sebuah studi baru-baru ini (melibatkan proses desain berulang selama 2 tahun dengan gabungan data penerapan SMFC selama sembilan bulan) telah menguji desain sel secara sistematis untuk sampai pada pedoman desain umum. Tim peneliti membuat dan membandingkan empat versi berbeda termasuk desain tradisional di mana katoda dan anoda sejajar satu sama lain. Desain vertikal (versi 3: orientasi anoda horizontal & orientasi katoda tegak lurus) sel bahan bakar terbukti memiliki kinerja terbaik. Ini bekerja dengan baik dalam kisaran kelembaban dari kondisi tergenang hingga kondisi agak kering.
Dalam desain vertikal, anoda (terbuat dari karbon untuk menangkap elektron yang dilepaskan oleh bakteri) ditanam di tanah lembab yang tegak lurus dengan permukaan tanah, sedangkan katoda (terbuat dari logam inert dan konduktif) ditempatkan secara vertikal di atas anoda secara horizontal di tanah. tingkat di mana oksigen tersedia untuk penyelesaian setengah reaksi reduksi.
Output daya untuk desain secara signifikan lebih tinggi sepanjang durasi ketika sel dibanjiri air. Ia beroperasi dengan baik dari kondisi bawah air hingga agak kering (41% air berdasarkan volume) namun masih memiliki persyaratan kandungan air volumetrik (VWC) yang tinggi sebesar 41% untuk tetap aktif.
Studi ini menjawab pertanyaan mengenai aspek desain SMFC dalam meningkatkan konsistensi dan ketahanan terhadap perubahan kelembapan. Karena penulis telah merilis semua desain, tutorial, dan alat simulasi kepada publik untuk digunakan dan dikembangkan, diharapkan hal ini dapat diterapkan pada penerapan yang lebih luas di berbagai bidang seperti pertanian presisi dalam waktu dekat.
***
Referensi:
- Vishwanathan AS, 2021. Sel bahan bakar mikroba: tinjauan komprehensif untuk pemula. 3 Bioteknologi. Mei 2021; 11(5): 248. Diterbitkan online 01 Mei 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Sepuluh B., et al 2024. Komputasi Bertenaga Tanah: Panduan Insinyur untuk Desain Praktis Sel Bahan Bakar Mikroba Tanah. Diterbitkan:12 Januari 2024. Prosiding ACM tentang Teknologi Interaktif, Seluler, Dapat Dipakai, dan Ada di Mana-Mana. Volume 7 Edisi 4Nomor Artikel: 196pp 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Universitas Barat Laut. Berita-Sel bahan bakar bertenaga kotoran dapat digunakan selamanya. Diposting pada 12 Januari 2024. Tersedia di https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
