Pilas de combustible microbianas del suelo (SMFC): el nuevo diseño podría beneficiar al medio ambiente y a los agricultores 

El combustible microbiano del suelo Células (SMFC) utilizan bacterias naturales en el suelo para generar electricidad. Como fuente de energía renovable descentralizada a largo plazo, las SMFC podrían implementarse perpetuamente para monitorear en tiempo real diversas condiciones ambientales y también pueden contribuir al crecimiento de la precisión. de la agricultura y ciudades inteligentes. Sin embargo, a pesar de existir desde hace más de un siglo, la aplicación práctica de los SMFC ha sido casi inexistente debido a la inconsistencia en la producción de energía. Actualmente, no existe ninguna SMFC que pueda generar electricidad de manera constante fuera de condiciones acuosas de alta humedad. En un estudio reciente, los investigadores crearon y compararon diferentes versiones de diseño y descubrieron que el diseño de celda vertical mejora el rendimiento y hace que las SMFC sean más resistentes a los cambios en la humedad del suelo.   

Microbiano celdas de combustible (MFC) son biorreactores que producen electricidad al convertir la energía en los enlaces químicos de ecológicos compuestos en energía eléctrica mediante biocatálisis por microbios. Los electrones liberados en el compartimento anódico por la oxidación bacteriana del sustrato se transfieren al cátodo donde se combinan con iones de oxígeno e hidrógeno.  

Las reacciones bioquímicas en condiciones aeróbicas, por ejemplo, para acetato como sustrato son: 

Semirreacción de oxidación en el ánodo. 

CH₃COO^- + 3H₂O → CO₂ +HCO₃^- + 8H⁺ + 8e^-  

Semirreacción de reducción en el cátodo. 

2 O ₂ + 8 H ⁺ + 8 e ^-   → 4 horas ₂ O 

En un entorno anaeróbico, los MFC pueden utilizar residuos biológicos como sustrato para producir electricidad. 

Los MFC tienen potencial para servir como solución a los problemas ambientales de la energía sostenible, el calentamiento global y gestión de biorresiduos. Tiene argumentos sólidos para su aplicación en áreas donde las baterías químicas habituales y los paneles solares no cumplen con las expectativas, como en infraestructuras verdes, pastizales, humedales o subterráneos. En estas zonas, los paneles solares no funcionan durante la noche y suelen quedar cubiertos de suciedad o vegetación, mientras que los componentes de las sustancias químicas baterías lixiviarse al medio ambiente. El combustible microbiano del suelo Células (SMFC) se presentan como una fuente sostenible de energía en áreas agrícolas, pastizales, bosques y terrenos baldíos para alimentar dispositivos de bajo consumo de energía.  

Las pilas de combustible microbianas del suelo (SMFC) utilizan bacterias naturales del suelo para generar electricidad. En condiciones óptimas, los SMFC pueden producir hasta 200 μW de potencia con un voltaje de 731 mV. Como fuente descentralizada de energía renovable a largo plazo, las SMFC podrían implementarse perpetuamente para monitorear en tiempo real diversas condiciones ambientales y orientar políticas. Estos también pueden contribuir al crecimiento de las ciudades inteligentes y granjas.  

Sin embargo, a pesar de existir desde hace más de un siglo, la aplicación práctica de las SMFC a nivel del suelo ha sido muy limitada. Actualmente, no existe ninguna SMFC que pueda generar electricidad de manera constante fuera de condiciones acuosas de alta humedad. La inconsistencia en la producción de energía se atribuye a diferencias en las condiciones ambientales, la humedad del suelo, los tipos de suelo, los microbios que habitan el suelo, etc., pero los cambios en la humedad del suelo tienen una influencia máxima en la consistencia de la producción de energía. Las células deben permanecer adecuadamente hidratadas y oxigenadas para una producción de energía constante, lo que puede ser un problema cuando están enterradas bajo tierra en tierra seca.   

El diseño de celda vertical mejora el rendimiento y hace que las SMFC sean más resistentes a los cambios en la humedad del suelo.  

Un estudio reciente (que implica un proceso de diseño iterativo de dos años de duración con nueve meses combinados de datos de implementación de SMFC) ha probado sistemáticamente diseños de celdas para llegar a pautas generales de diseño. El equipo de investigación creó y comparó cuatro versiones diferentes, incluido el diseño tradicional en el que tanto el cátodo como el ánodo son paralelos entre sí. Se descubrió que el diseño vertical (versión 2: orientación del ánodo horizontal y orientación del cátodo perpendicular) de la pila de combustible era el de mejor rendimiento. Funcionó bien en el rango de humedad desde condiciones inundadas hasta condiciones algo secas.  

En el diseño vertical, el ánodo (hecho de carbono para capturar los electrones liberados por las bacterias) está enterrado en el suelo húmedo perpendicular a la superficie del suelo, mientras que el cátodo (hecho de un metal conductor inerte) se asienta verticalmente encima del ánodo horizontalmente en el suelo. nivel en el que el oxígeno esté fácilmente disponible para completar la media reacción de reducción.  

La potencia de salida para el diseño fue significativamente mayor durante el tiempo que la celda estuvo inundada con agua. Funcionó bien desde una condición completamente bajo el agua hasta algo seco (41% de agua por volumen); sin embargo, todavía tenía un alto requisito de contenido volumétrico de agua (VWC) del 41% para permanecer activo.  

Este estudio aborda preguntas sobre el aspecto del diseño de los SMFC para mejorar la consistencia y la resiliencia a los cambios de humedad. Dado que los autores han lanzado todos los diseños, tutoriales y herramientas de simulación al público para su uso y desarrollo, es de esperar que esto se traduzca en aplicaciones más amplias en diversas áreas, como la agricultura de precisión, en un futuro próximo.  

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Referencias:  

1. Vishwanathan AS, 2021. Pilas de combustible microbianas: una revisión completa para principiantes. 3 Biotecnología. 2021 mayo; 11(5): 248. Publicado en línea el 01 de mayo de 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. Diez B., et al 2024. Computación impulsada por el suelo: la guía del ingeniero para el diseño práctico de celdas de combustible microbianas del suelo. Publicado: 12 de enero de 2024. Actas de la ACM sobre tecnologías interactivas, móviles, portátiles y ubicuas. Volumen 7 Número 4 Número de artículo: 196 págs. 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Northwestern University. Noticias: La pila de combustible alimentada por tierra funciona para siempre. Publicado el 12 de enero de 2024. Disponible en https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

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