സോയിൽ മൈക്രോബയൽ ഫ്യൂവൽ സെല്ലുകൾ (SMFCs): പുതിയ ഡിസൈൻ പരിസ്ഥിതിക്കും കർഷകർക്കും ഗുണം ചെയ്യും 

മണ്ണിലെ മൈക്രോബയൽ ഇന്ധനം കളങ്ങൾ (SMFCs) വൈദ്യുതി ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കുന്നതിന് മണ്ണിൽ സ്വാഭാവികമായി ഉണ്ടാകുന്ന ബാക്ടീരിയകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു. പുനരുൽപ്പാദിപ്പിക്കാവുന്ന ഊർജ്ജത്തിൻ്റെ ദീർഘകാല, വികേന്ദ്രീകൃത സ്രോതസ്സ് എന്ന നിലയിൽ, വിവിധ പാരിസ്ഥിതിക അവസ്ഥകളുടെ തത്സമയ നിരീക്ഷണത്തിനായി എസ്എംഎഫ്സികളെ ശാശ്വതമായി വിന്യസിക്കാൻ കഴിയും, കൂടാതെ കൃത്യതയുടെ വളർച്ചയ്ക്ക് സംഭാവന നൽകാനും കഴിയും. കൃഷി സ്മാർട്ട് സിറ്റികളും. എന്നിരുന്നാലും, ഒരു നൂറ്റാണ്ടിലേറെയായി നിലവിലുണ്ടെങ്കിലും, വൈദ്യുതി ഉൽപാദനത്തിലെ പൊരുത്തക്കേട് കാരണം SMFC-കളുടെ പ്രായോഗിക പ്രയോഗം ഏതാണ്ട് നിലവിലില്ല. നിലവിൽ, ഉയർന്ന ഈർപ്പം ഉള്ള അവസ്ഥയ്ക്ക് പുറത്ത് സ്ഥിരമായി വൈദ്യുതി ഉത്പാദിപ്പിക്കാൻ കഴിയുന്ന ഒരു SMFC ഇല്ല. അടുത്തിടെ നടത്തിയ ഒരു പഠനത്തിൽ, ഗവേഷകർ വ്യത്യസ്ത ഡിസൈൻ പതിപ്പുകൾ സൃഷ്ടിക്കുകയും താരതമ്യം ചെയ്യുകയും ചെയ്തു, കൂടാതെ ലംബമായ സെൽ ഡിസൈൻ പ്രകടനം മെച്ചപ്പെടുത്തുകയും SMFC- കൾ മണ്ണിലെ ഈർപ്പം മാറുന്നതിന് കൂടുതൽ പ്രതിരോധശേഷി നൽകുകയും ചെയ്യുന്നു.   

മൈക്രോബയൽ ഇന്ധന സെല്ലുകൾ (എംഎഫ്‌സി) കെമിക്കൽ ബോണ്ടുകളിലെ ഊർജ്ജത്തെ പരിവർത്തനം ചെയ്തുകൊണ്ട് വൈദ്യുതി ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്ന ബയോ റിയാക്ടറുകളാണ് ഓർഗാനിക് സൂക്ഷ്മാണുക്കളുടെ ബയോകാറ്റലിസിസ് വഴി സംയുക്തങ്ങൾ വൈദ്യുതോർജ്ജമായി മാറുന്നു. സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിൻ്റെ ബാക്ടീരിയൽ ഓക്‌സിഡേഷൻ വഴി ആനോഡ് കമ്പാർട്ടുമെൻ്റിൽ പുറത്തുവിടുന്ന ഇലക്‌ട്രോണുകൾ കാഥോഡിലേക്ക് മാറ്റപ്പെടുന്നു, അവിടെ അവ ഓക്സിജനും ഹൈഡ്രജൻ അയോണുകളും സംയോജിപ്പിക്കുന്നു.  

എയറോബിക് അവസ്ഥയിലുള്ള ബയോകെമിക്കൽ പ്രതിപ്രവർത്തനങ്ങൾ, ഉദാഹരണത്തിന്, അസറ്റേറ്റിനെ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റായി: 

ആനോഡിലെ ഓക്സിഡേഷൻ പകുതി-പ്രതികരണം 

CH₃സിഒഒ^- + 3 എച്ച്₂O → CO₂ +HCO₃^- + 8 എച്ച്⁺ +8ഇ^-  

കാഥോഡിലെ പകുതി-പ്രതികരണം കുറയ്ക്കൽ 

2 O. ₂ + 8 എച്ച് ⁺ + 8 nd ^-   → 4 എച്ച് ₂ O 

വായുരഹിതമായ അന്തരീക്ഷത്തിൽ, എംഎഫ്‌സികൾക്ക് വൈദ്യുതി ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കുന്നതിന് ജൈവമാലിന്യത്തെ അടിവസ്ത്രമായി ഉപയോഗിക്കാം. 

സുസ്ഥിര ഊർജ്ജത്തിൻ്റെ പാരിസ്ഥിതിക പ്രശ്‌നങ്ങൾക്ക് പരിഹാരമായി പ്രവർത്തിക്കാൻ MFC-കൾക്ക് കഴിവുണ്ട്, ആഗോള താപം ജൈവമാലിന്യ സംസ്കരണവും. പച്ച അടിസ്ഥാന സൗകര്യങ്ങൾ, പുൽമേടുകൾ, തണ്ണീർത്തടങ്ങൾ, അല്ലെങ്കിൽ ഭൂഗർഭ പ്രദേശങ്ങൾ എന്നിവയിൽ സാധാരണ കെമിക്കൽ ബാറ്ററികളും സോളാർ പാനലുകളും പ്രതീക്ഷിക്കുന്നതിൽ കുറവുള്ള പ്രദേശങ്ങളിൽ ഇത് പ്രയോഗിക്കുന്നതിന് ശക്തമായ ഒരു സാഹചര്യമുണ്ട്. ഈ പ്രദേശങ്ങളിൽ, സോളാർ പാനലുകൾ രാത്രിയിൽ പ്രവർത്തിക്കില്ല, സാധാരണയായി രാസവസ്തുക്കളുടെ ഘടകമായതിനാൽ അഴുക്കും സസ്യജാലങ്ങളും മൂടുന്നു. ബാറ്ററികൾ പരിസ്ഥിതിയിലേക്ക് ഒഴുകുക. മണ്ണിലെ സൂക്ഷ്മജീവ ഇന്ധനം കളങ്ങൾ (SMFCs) കൃഷി, പുൽമേടുകൾ, വനം, തരിശുഭൂമി എന്നിവയിലെ അത്തരം പ്രദേശങ്ങളിൽ ഊർജ്ജം കുറഞ്ഞ ഉപകരണങ്ങൾക്ക് ഊർജ്ജം നൽകുന്നതിന് സുസ്ഥിരമായ ഊർജ്ജ സ്രോതസ്സായി വരുന്നു.  

സോയിൽ മൈക്രോബയൽ ഫ്യൂവൽ സെല്ലുകൾ (SMFCs) വൈദ്യുതി ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കുന്നതിന് മണ്ണിൽ സ്വാഭാവികമായി ഉണ്ടാകുന്ന ബാക്ടീരിയകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഒപ്റ്റിമൽ സാഹചര്യങ്ങളിൽ, SMFC-കൾക്ക് 200 mV വോൾട്ടേജിൽ 731 μW വരെ വൈദ്യുതി ഉത്പാദിപ്പിക്കാൻ കഴിയും. പുനരുൽപ്പാദിപ്പിക്കാവുന്ന ഊർജ്ജത്തിൻ്റെ ദീർഘകാല, വികേന്ദ്രീകൃത സ്രോതസ്സ് എന്ന നിലയിൽ, വിവിധ പാരിസ്ഥിതിക അവസ്ഥകളുടെ തത്സമയ നിരീക്ഷണത്തിനും ഗൈഡ് പോളിസിക്കുമായി എസ്എംഎഫ്സികളെ ശാശ്വതമായി വിന്യസിക്കാൻ കഴിയും. സ്‌മാർട്ട് സിറ്റികളുടെ വളർച്ചയ്ക്കും ഇവയ്ക്ക് സംഭാവന നൽകാനാകും കൃഷിസ്ഥലങ്ങൾ.  

എന്നിരുന്നാലും, ഒരു നൂറ്റാണ്ടിലേറെയായി നിലവിലുണ്ടെങ്കിലും, ഗ്രൗണ്ട് ലെവലിൽ SMFC-കളുടെ പ്രായോഗിക പ്രയോഗം വളരെ പരിമിതമാണ്. നിലവിൽ, ഉയർന്ന ഈർപ്പം ഉള്ള അവസ്ഥയ്ക്ക് പുറത്ത് സ്ഥിരമായി വൈദ്യുതി ഉത്പാദിപ്പിക്കാൻ കഴിയുന്ന ഒരു SMFC ഇല്ല. പാരിസ്ഥിതിക സാഹചര്യങ്ങൾ, മണ്ണിൻ്റെ ഈർപ്പം, മണ്ണിൻ്റെ തരങ്ങൾ, മണ്ണിൽ വസിക്കുന്ന സൂക്ഷ്മാണുക്കൾ മുതലായവയിലെ വ്യത്യാസങ്ങളാണ് ഊർജ്ജോത്പാദനത്തിലെ പൊരുത്തക്കേടുകൾക്ക് കാരണം. എന്നാൽ മണ്ണിലെ ഈർപ്പം മാറ്റങ്ങൾ ഊർജ്ജോത്പാദനത്തിൻ്റെ സ്ഥിരതയിൽ പരമാവധി സ്വാധീനം ചെലുത്തുന്നു. സ്ഥിരമായ പവർ ഔട്ട്പുട്ടിനായി കോശങ്ങൾ ആവശ്യത്തിന് ജലാംശവും ഓക്സിജനും നിലനിറുത്തേണ്ടതുണ്ട്, ഇത് വരണ്ട അഴുക്കിൽ മണ്ണിനടിയിൽ കുഴിച്ചിടുമ്പോൾ ബുദ്ധിമുട്ടുള്ള ഒരു പ്രശ്നമായിരിക്കും.   

ലംബമായ സെൽ രൂപകൽപന പ്രകടനം മെച്ചപ്പെടുത്തുകയും SMFC-കളെ മണ്ണിലെ ഈർപ്പത്തിലെ മാറ്റങ്ങളെ കൂടുതൽ പ്രതിരോധശേഷിയുള്ളതാക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.  

ഒരു സമീപകാല പഠനം (ഒമ്പത് മാസത്തെ എസ്എംഎഫ്‌സി വിന്യാസ ഡാറ്റയുമായി 2 വർഷം നീണ്ടുനിൽക്കുന്ന ആവർത്തന രൂപകൽപന പ്രക്രിയ ഉൾപ്പെടുന്നു) പൊതുവായ ഡിസൈൻ മാർഗ്ഗനിർദ്ദേശങ്ങളിൽ എത്തിച്ചേരുന്നതിന് സെൽ ഡിസൈനുകൾ വ്യവസ്ഥാപിതമായി പരീക്ഷിച്ചു. കാഥോഡും ആനോഡും പരസ്പരം സമാന്തരമായിരിക്കുന്ന പരമ്പരാഗത രൂപകൽപ്പന ഉൾപ്പെടെ നാല് വ്യത്യസ്ത പതിപ്പുകൾ ഗവേഷണ സംഘം സൃഷ്ടിക്കുകയും താരതമ്യം ചെയ്യുകയും ചെയ്തു. ഇന്ധന സെല്ലിൻ്റെ ലംബ രൂപകൽപ്പന (പതിപ്പ് 3: ആനോഡ് ഓറിയൻ്റേഷൻ ഹൊറിസോണ്ടൽ & കാഥോഡ് ഓറിയൻ്റേഷൻ ലംബം) മികച്ച പ്രകടനം കാഴ്ചവെക്കുന്നതായി കണ്ടെത്തി. വെള്ളത്തിനടിയിലായ അവസ്ഥയിൽ നിന്നും കുറച്ച് വരണ്ട അവസ്ഥയിൽ നിന്നും ഈർപ്പത്തിൻ്റെ പരിധിയിൽ ഇത് നന്നായി പ്രവർത്തിച്ചു.  

ലംബമായ രൂപകൽപ്പനയിൽ, ആനോഡ് (ബാക്ടീരിയകൾ പുറത്തുവിടുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളെ പിടിച്ചെടുക്കാൻ കാർബൺ കൊണ്ട് നിർമ്മിച്ചത്) ഭൂമിയുടെ ഉപരിതലത്തിന് ലംബമായി നനഞ്ഞ മണ്ണിൽ കുഴിച്ചിടുന്നു, കാഥോഡ് (നിർജ്ജീവവും ചാലകവുമായ ലോഹം കൊണ്ട് നിർമ്മിച്ചത്) ലംബമായി ആനോഡിന് മുകളിൽ തിരശ്ചീനമായി നിലത്ത് ഇരിക്കുന്നു. റിഡക്ഷൻ പകുതി പ്രതിപ്രവർത്തനം പൂർത്തിയാക്കാൻ ഓക്സിജൻ എളുപ്പത്തിൽ ലഭ്യമാകുന്ന നില.  

സെല്ലിൽ വെള്ളം കയറിയ സമയത്തിലുടനീളം ഡിസൈനിനുള്ള പവർ ഔട്ട്പുട്ട് ഗണ്യമായി ഉയർന്നിരുന്നു. പൂർണ്ണമായും വെള്ളത്തിനടിയിലുള്ള അവസ്ഥയിൽ നിന്ന് കുറച്ച് വരണ്ട (41% വെള്ളം) വരെ ഇത് നന്നായി പ്രവർത്തിച്ചു, എന്നിരുന്നാലും സജീവമായി തുടരുന്നതിന് ഇതിന് ഉയർന്ന 41% വോള്യൂമെട്രിക് വാട്ടർ ഉള്ളടക്കം (VWC) ആവശ്യമാണ്.  

ഈർപ്പം മാറ്റങ്ങളോടുള്ള സ്ഥിരതയും പ്രതിരോധവും മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനുള്ള എസ്എംഎഫ്‌സികളുടെ ഡിസൈൻ വശത്തെക്കുറിച്ചുള്ള ചോദ്യത്തെ ഈ പഠനം അഭിസംബോധന ചെയ്യുന്നു. രചയിതാക്കൾ എല്ലാ ഡിസൈനുകളും ട്യൂട്ടോറിയലുകളും സിമുലേഷൻ ടൂളുകളും പൊതുജനങ്ങൾക്ക് ഉപയോഗിക്കുന്നതിനും നിർമ്മിക്കുന്നതിനുമായി പുറത്തിറക്കിയതിനാൽ, സമീപഭാവിയിൽ കൃത്യമായ കൃഷി പോലുള്ള വിവിധ മേഖലകളിലെ വിപുലമായ ആപ്ലിക്കേഷനുകളിലേക്ക് ഇത് വിവർത്തനം ചെയ്യുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു.  

*** 

അവലംബം:  

1. വിശ്വനാഥൻ എഎസ്, 2021. മൈക്രോബയൽ ഫ്യൂവൽ സെല്ലുകൾ: തുടക്കക്കാർക്കുള്ള സമഗ്രമായ അവലോകനം. 3 ബയോടെക്. 2021 മെയ്; 11(5): 248. ഓൺലൈനിൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ചത് 01 മെയ് 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. പത്ത് ബി. Et al 2024. സോയിൽ-പവർഡ് കമ്പ്യൂട്ടിംഗ്: പ്രായോഗിക മണ്ണ് മൈക്രോബയൽ ഫ്യൂവൽ സെൽ ഡിസൈനിലേക്കുള്ള എഞ്ചിനീയർ ഗൈഡ്. പ്രസിദ്ധീകരിച്ചത്:12 ജനുവരി 2024. ഇൻ്ററാക്ടീവ്, മൊബൈൽ, വെയറബിൾ, സർവ്വവ്യാപിയായ സാങ്കേതികവിദ്യകൾ എന്നിവയിൽ ACM-ൻ്റെ നടപടിക്രമങ്ങൾ. വാല്യം 7 ലക്കം 4ആർട്ടിക്കിൾ നമ്പർ: 196pp 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. നോർത്ത് വെസ്റ്റേൺ യൂണിവേഴ്സിറ്റി. വാർത്ത-അഴുക്കിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്ന ഇന്ധന സെൽ എന്നെന്നേക്കുമായി പ്രവർത്തിക്കുന്നു. പോസ്റ്റ് ചെയ്തത് 12 ജനുവരി 2024. ഇവിടെ ലഭ്യമാണ് https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***