మట్టి సూక్ష్మజీవుల ఇంధన కణాలు (SMFCలు): కొత్త డిజైన్ పర్యావరణం మరియు రైతులకు ప్రయోజనం చేకూరుస్తుంది 

నేల సూక్ష్మజీవుల ఇంధనం కణాలు (SMFCలు) విద్యుత్తును ఉత్పత్తి చేయడానికి నేలలో సహజంగా సంభవించే బ్యాక్టీరియాను ఉపయోగిస్తాయి. పునరుత్పాదక శక్తి యొక్క దీర్ఘకాలిక, వికేంద్రీకృత మూలంగా, వివిధ పర్యావరణ పరిస్థితుల యొక్క నిజ-సమయ పర్యవేక్షణ కోసం SMFC లను శాశ్వతంగా అమలు చేయవచ్చు మరియు ఖచ్చితత్వం యొక్క పెరుగుదలకు కూడా దోహదపడవచ్చు. వ్యవసాయ మరియు స్మార్ట్ సిటీలు. ఏది ఏమైనప్పటికీ, ఒక శతాబ్దానికి పైగా ఉనికిలో ఉన్నప్పటికీ, విద్యుత్ ఉత్పత్తిలో అస్థిరత కారణంగా SMFCల యొక్క ఆచరణాత్మక అనువర్తనం దాదాపుగా ఉనికిలో లేదు. ప్రస్తుతం, అధిక తేమతో కూడిన నీటి పరిస్థితుల వెలుపల స్థిరంగా విద్యుత్‌ను ఉత్పత్తి చేయగల SMFC ఏదీ లేదు. ఇటీవలి అధ్యయనంలో, పరిశోధకులు వివిధ డిజైన్ వెర్షన్‌లను సృష్టించారు మరియు పోల్చారు మరియు నిలువు సెల్ డిజైన్ పనితీరును మెరుగుపరుస్తుందని మరియు SMFC లను నేల తేమలో మార్పులకు మరింత స్థితిస్థాపకంగా మారుస్తుందని కనుగొన్నారు.   

సూక్ష్మజీవుల ఇంధన ఘటాలు (MFCలు) రసాయన బంధాలలోని శక్తిని మార్చడం ద్వారా విద్యుత్తును ఉత్పత్తి చేసే బయోఇయాక్టర్లు సేంద్రీయ సూక్ష్మజీవుల ద్వారా బయోక్యాటాలిసిస్ ద్వారా విద్యుత్ శక్తిలోకి సమ్మేళనాలు. సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క బ్యాక్టీరియా ఆక్సీకరణ ద్వారా యానోడ్ కంపార్ట్‌మెంట్‌లో విడుదలయ్యే ఎలక్ట్రాన్‌లు కాథోడ్‌కు బదిలీ చేయబడతాయి, అక్కడ అవి ఆక్సిజన్ మరియు హైడ్రోజన్ అయాన్‌లతో కలిసిపోతాయి.  

ఏరోబిక్ స్థితిలో జీవరసాయన ప్రతిచర్యలు, ఉదాహరణకు, అసిటేట్ సబ్‌స్ట్రేట్‌గా ఉంటాయి: 

యానోడ్‌పై ఆక్సీకరణ సగం చర్య 

CH₃COO^- + 3 హెచ్₂O → CO₂ +HCO₃^- + 8 హెచ్⁺ +8e^-  

కాథోడ్‌పై సగం-ప్రతిచర్య తగ్గింపు 

2 O. ₂ + 8 H ⁺ + 8 ఇ ^-   → 4 హెచ్ ₂ O 

వాయురహిత వాతావరణంలో, MFCలు విద్యుత్తును ఉత్పత్తి చేయడానికి బయోవేస్ట్‌ను సబ్‌స్ట్రేట్‌గా ఉపయోగించవచ్చు. 

MFCలు స్థిరమైన శక్తి యొక్క పర్యావరణ సమస్యలకు పరిష్కారంగా ఉపయోగపడే సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉన్నాయి, గ్లోబల్ వార్మింగ్ మరియు బయోవేస్ట్ మేనేజ్‌మెంట్. సాధారణ రసాయన బ్యాటరీలు మరియు సోలార్ ప్యానెల్‌లు ఆకుపచ్చ మౌలిక సదుపాయాలు, గడ్డి భూములు, చిత్తడి నేలలు లేదా భూగర్భంలో ఆశించిన స్థాయికి తగ్గకుండా ఉండే ప్రాంతాలలో అప్లికేషన్ కోసం ఇది ఒక దృఢమైన సందర్భాన్ని కలిగి ఉంది. ఈ ప్రాంతాలలో, సౌర ఫలకాలు రాత్రిపూట పని చేయవు మరియు సాధారణంగా రసాయనాల భాగాలుగా ఉన్నప్పుడు ధూళి లేదా వృక్షాలతో కప్పబడి ఉంటాయి. బ్యాటరీలు పర్యావరణంలోకి లీచ్. నేల సూక్ష్మజీవుల ఇంధనం కణాలు (SMFCలు) వ్యవసాయం, గడ్డి భూములు, అటవీ మరియు బంజరు భూములలో తక్కువ శక్తి పరికరాలను శక్తివంతం చేయడానికి అటువంటి ప్రాంతాలలో స్థిరమైన శక్తి వనరుగా వస్తాయి.  

మట్టి సూక్ష్మజీవుల ఇంధన కణాలు (SMFCలు) విద్యుత్తును ఉత్పత్తి చేయడానికి నేలలో సహజంగా సంభవించే బ్యాక్టీరియాను ఉపయోగిస్తాయి. సరైన పరిస్థితుల్లో, SMFCలు 200 mV వోల్టేజీతో 731 μW వరకు శక్తిని ఉత్పత్తి చేయగలవు. పునరుత్పాదక శక్తి యొక్క దీర్ఘకాలిక, వికేంద్రీకృత మూలంగా, వివిధ పర్యావరణ పరిస్థితులు మరియు గైడ్ పాలసీ యొక్క నిజ-సమయ పర్యవేక్షణ కోసం SMFCలను శాశ్వతంగా అమలు చేయవచ్చు. ఇవి స్మార్ట్ సిటీల వృద్ధికి కూడా దోహదపడతాయి పొలాలు.  

అయితే, ఒక శతాబ్దానికి పైగా ఉనికిలో ఉన్నప్పటికీ, SMFCల యొక్క ప్రాక్టికల్ అప్లికేషన్ గ్రౌండ్ లెవెల్లో చాలా పరిమితంగా ఉంది. ప్రస్తుతం, అధిక తేమతో కూడిన నీటి పరిస్థితుల వెలుపల స్థిరంగా విద్యుత్‌ను ఉత్పత్తి చేయగల SMFC ఏదీ లేదు. పవర్ అవుట్‌పుట్‌లో అస్థిరత పర్యావరణ పరిస్థితులు, నేల తేమ, నేల రకాలు, నేలలో నివసించే సూక్ష్మజీవులు మొదలైన వాటిలో తేడాలకు కారణమని చెప్పవచ్చు, అయితే నేల తేమలో మార్పులు శక్తి ఉత్పత్తి యొక్క స్థిరత్వంపై గరిష్ట ప్రభావాన్ని కలిగి ఉంటాయి. స్థిరమైన పవర్ అవుట్‌పుట్ కోసం కణాలు తగినంతగా హైడ్రేటెడ్ మరియు ఆక్సిజన్‌ను కలిగి ఉండాలి, ఇది పొడి ధూళిలో భూగర్భంలో పాతిపెట్టినప్పుడు చాలా కష్టమైన సమస్య కావచ్చు.   

నిలువు కణ రూపకల్పన పనితీరును మెరుగుపరుస్తుంది మరియు SMFCలను నేల తేమలో మార్పులకు మరింత స్థితిస్థాపకంగా చేస్తుంది.  

ఇటీవలి అధ్యయనం (SMFC డిప్లాయ్‌మెంట్ డేటా యొక్క తొమ్మిది నెలల కలిపి 2-సంవత్సరాల సుదీర్ఘమైన పునరావృత రూపకల్పన ప్రక్రియను కలిగి ఉంటుంది) సాధారణ డిజైన్ మార్గదర్శకాలకు చేరుకోవడానికి సెల్ డిజైన్‌లను క్రమపద్ధతిలో పరీక్షించింది. కాథోడ్ మరియు యానోడ్ రెండూ ఒకదానికొకటి సమాంతరంగా ఉండే సాంప్రదాయ డిజైన్‌తో సహా నాలుగు విభిన్న వెర్షన్‌లను పరిశోధనా బృందం సృష్టించింది మరియు పోల్చింది. ఇంధన సెల్ యొక్క నిలువు డిజైన్ (వెర్షన్ 3: యానోడ్ ఓరియంటేషన్ క్షితిజ సమాంతర & కాథోడ్ ఓరియంటేషన్ లంబంగా) అత్యుత్తమ పనితీరును కనబరిచింది. ఇది తేమ శ్రేణిలో ఉప్పొంగిన పరిస్థితి నుండి కొంతవరకు పొడి స్థితి వరకు బాగా పని చేస్తుంది.  

నిలువు రూపకల్పనలో, యానోడ్ (బ్యాక్టీరియా విడుదల చేసే ఎలక్ట్రాన్‌లను సంగ్రహించడానికి కార్బన్‌తో తయారు చేయబడింది) నేల ఉపరితలానికి లంబంగా తేమతో కూడిన మట్టిలో ఖననం చేయబడుతుంది, అయితే కాథోడ్ (జడ, వాహక లోహంతో తయారు చేయబడింది) భూమిపై అడ్డంగా యానోడ్‌పై నిలువుగా ఉంటుంది. తగ్గింపు సగం ప్రతిచర్యను పూర్తి చేయడానికి ఆక్సిజన్ తక్షణమే అందుబాటులో ఉండే స్థాయి.  

సెల్ నీటితో నిండిన సమయంలో డిజైన్ కోసం పవర్ అవుట్‌పుట్ గణనీయంగా ఎక్కువగా ఉంటుంది. ఇది పూర్తిగా నీటి అడుగున పరిస్థితి నుండి కొంతవరకు పొడిగా (వాల్యూమ్ వారీగా 41% నీరు) వరకు బాగా పనిచేసింది, అయితే ఇది ఇప్పటికీ చురుకుగా ఉండటానికి అధిక 41% వాల్యూమెట్రిక్ వాటర్ కంటెంట్ (VWC) అవసరం.  

ఈ అధ్యయనం తేమ మార్పులకు నిలకడ మరియు స్థితిస్థాపకతను మెరుగుపరచడానికి SMFCల రూపకల్పన అంశానికి సంబంధించిన ప్రశ్నలను పరిష్కరిస్తుంది. రచయితలు అన్ని డిజైన్‌లు, ట్యుటోరియల్‌లు మరియు అనుకరణ సాధనాలను ప్రజలకు ఉపయోగించడానికి మరియు నిర్మించడానికి విడుదల చేసినందున, ఇది సమీప భవిష్యత్తులో ఖచ్చితమైన వ్యవసాయం వంటి విభిన్న రంగాలలో విస్తృత అనువర్తనాలకు అనువదిస్తుంది.  

*** 

ప్రస్తావనలు:  

1. విశ్వనాథన్ AS, 2021. సూక్ష్మజీవుల ఇంధన కణాలు: ప్రారంభకులకు సమగ్ర సమీక్ష. 3 బయోటెక్. 2021 మే; 11(5): 248. ఆన్‌లైన్‌లో 01 మే 2021న ప్రచురించబడింది. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. పది బి., ఎప్పటికి 2024. సాయిల్-పవర్డ్ కంప్యూటింగ్: ది ఇంజనీర్స్ గైడ్ టు ప్రాక్టికల్ సాయిల్ మైక్రోబియల్ ఫ్యూయెల్ సెల్ డిజైన్. ప్రచురించబడింది:12 జనవరి 2024. ఇంటరాక్టివ్, మొబైల్, ధరించగలిగే మరియు సర్వవ్యాప్త సాంకేతికతలపై ACM యొక్క ప్రొసీడింగ్స్. వాల్యూమ్ 7 సంచిక 4ఆర్టికల్ సంఖ్య: 196పిపి 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. నార్త్ వెస్ట్రన్ విశ్వవిద్యాలయం. వార్తలు-డర్ట్-ఆధారిత ఇంధన సెల్ ఎప్పటికీ నడుస్తుంది. 12 జనవరి 2024న పోస్ట్ చేయబడింది. ఇక్కడ అందుబాటులో ఉంది https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***