طرق يمكن لخلايا الوقود الميكروبية أن تحدث ثورة في إنتاج الكهرباء

أربع طرق يمكن لخلايا الوقود الميكروبية أن تحدث ثورة في إنتاج الكهرباء في المستقبل

من المقدر أن يصل عدد سكان العالم إلى 9.5 مليار بحلول عام 2050. وبالنظر إلى أن معظم طاقتنا الحالية يتم توليدها من الوقود الأحفوري ، فإن هذا يخلق تحديات كبيرة عندما يتعلق الأمر بتوفير ما يكفي من الكهرباء المستدامة مع التخفيف من تغير المناخ.

إحدى الأفكار التي اكتسبت قوة دفع خلال السنوات الأخيرة هي توليد الكهرباء باستخدام البكتيريا في أجهزة تسمى خلايا الوقود الميكروبية (MFCs). تعتمد خلايا الوقود هذه على قدرة بعض الكائنات الحية الدقيقة التي تحدث بشكل طبيعي والتي لديها القدرة على “تنفس” المعادن ، وتبادل الإلكترونات لتوليد الكهرباء. يمكن تغذية هذه العملية باستخدام مواد تسمى الركائز ، والتي تشمل المواد العضوية الموجودة في مياه الصرف الصحي.

في الوقت الحالي ، تستطيع خلايا الوقود الميكروبية توليد الكهرباء لتشغيل الأجهزة الصغيرة مثل الآلات الحاسبة والمراوح الصغيرة ومصابيح LED – في مختبرنا قمنا بتشغيل الأضواء على شجرة عيد الميلاد الصغيرة باستخدام “مياه الصرف الصحي المحاكاة”. ولكن إذا تم توسيع نطاق التكنولوجيا ، فإنها تحمل وعدًا كبيرًا.

كيف هؤلاء يعملون

تستخدم MFCs نظامًا من الأنودات والكاثودات – أقطاب كهربائية تمرر تيارًا إما للداخل أو للخارج. تتكون أنظمة MFC الشائعة من غرفة الأنود وغرفة الكاثود مفصولة بغشاء. تنمو البكتيريا على الأنود وتحول الركائز إلى ثاني أكسيد الكربون والبروتونات والإلكترونات.

يتم بعد ذلك نقل الإلكترونات التي يتم إنتاجها عبر دائرة خارجية إلى حجرة الكاثود ، بينما تمر البروتونات عبر الغشاء. في غرفة الكاثود ، يستهلك التفاعل بين البروتونات والإلكترونات الأكسجين ويشكل الماء. وطالما يتم تحويل الركائز باستمرار ، سوف تتدفق الإلكترونات – وهو ما تعنيه الكهرباء.

توليد الكهرباء من خلال MFCs له عدد من المزايا: يمكن إنشاء الأنظمة في أي مكان ؛ أنها تخلق “حمأة” أقل من الطرق التقليدية لمعالجة مياه الصرف الصحي مثل أنظمة الحمأة المنشطة. يمكن أن تكون صغيرة الحجم ولكن يمكن استخدام تصميم معياري لبناء أنظمة أكبر ؛ لديهم قدرة عالية على تحمل الملوحة. ويمكن أن تعمل في درجة حرارة الغرفة.

إن توفر مجموعة واسعة من الركائز المتجددة التي يمكن استخدامها لتوليد الكهرباء في MFCs لديه القدرة على إحداث ثورة في إنتاج الكهرباء في المستقبل. وتشمل هذه الركائز البول ، والمواد العضوية في مياه الصرف الصحي. والمواد التي تفرزها النباتات الحية في التربة (إفرازات الجذر) ، والنفايات غير العضوية مثل الكبريتيدات وحتى الملوثات الغازية.

قوة التبول

يمكن تحويل المواد القابلة للتحلل في النفايات مثل البراز والبول إلى كهرباء. تم توضيح ذلك في مرحاض يعمل بخلايا الوقود الميكروبية في غانا. مما يشير إلى أن المراحيض يمكن أن تكون في المستقبل محطات طاقة محتملة. كان المرحاض ، الذي تم تشغيله لمدة عامين ، قادرًا على توليد 268 نيوتن / متر مربع من الكهرباء. وهو ما يكفي لتشغيل مصباح LED داخل المرحاض ، مع إزالة النيتروجين من البول وتحويل البراز إلى سماد.

بالنسبة للمواقع التي لا توجد بها شبكة كهرباء أو لمخيمات اللاجئين. فإن استخدام النفايات في المراحيض لإنتاج الكهرباء يمكن أن يكون ثوريًا حقًا.

مصنع MFCs

الركيزة الأخرى المتجددة والمستدامة التي يمكن أن تستخدمها MFCs لتوليد الكهرباء هي إفرازات جذر النبات ، فيما يسمى بالنباتات MFCs. عندما تنمو النباتات فإنها تنتج الكربوهيدرات مثل الجلوكوز ، وبعضها ينضح في نظام الجذر. تقوم الكائنات الحية الدقيقة الموجودة بالقرب من الجذور بتحويل الكربوهيدرات إلى بروتونات وإلكترونات وثاني أكسيد الكربون.

في مصنع MFC ، يتم نقل البروتونات من خلال غشاء وإعادة اتحادها مع الأكسجين لإكمال دائرة نقل الإلكترون. من خلال توصيل الحمل بالدائرة ، يمكن تسخير الكهرباء المتولدة.

يمكن أن تحدث الخلايا متعددة الوظائف النباتية ثورة في إنتاج الكهرباء في المجتمعات المعزولة التي لا تصل إلى الشبكة. في المدن ، يمكن إضاءة الشوارع باستخدام الأشجار.

خلايا التحلية الجرثومية

نوع آخر من خلايا الوقود الميكروبية هو خلايا تحلية المياه الميكروبية. تستخدم هذه الأجهزة البكتيريا لتوليد الكهرباء ، على سبيل المثال من مياه الصرف الصحي ، مع تحلية المياه في نفس الوقت. يتم وضع المياه المراد تحليتها في غرفة محصورة بين غرف الأنود والكاثود في MFCs باستخدام أغشية الأيونات السالبة (الأنيون) والإيجابية (الموجبة).

عندما تستهلك البكتيريا الموجودة في حجرة الأنود مياه الصرف ، يتم إطلاق البروتونات. لا يمكن لهذه البروتونات المرور عبر غشاء الأنيون ، لذلك تنتقل الأيونات السالبة من الماء المالح إلى غرفة الأنود. يتم استهلاك البروتونات عند الكاثود ، لذلك تنتقل الأيونات الموجبة الشحنة من الماء المالح إلى حجرة الكاثود ، مما يؤدي إلى تحلية الماء في الغرفة الوسطى. تساعد الأيونات المنبعثة في غرف الأنود والكاثود على تحسين كفاءة توليد الكهرباء.

تعد تحلية المياه التقليدية حاليًا كثيفة الاستخدام للطاقة وبالتالي فهي مكلفة. إن العملية التي تحقق تحلية المياه على نطاق واسع مع إنتاج (وليس استهلاك) الكهرباء ستكون ثورية.

تحسين مردود الغاز الطبيعي

يستخدم الهضم اللاهوائي – حيث تُستخدم الكائنات الحية الدقيقة لتفكيك المواد القابلة للتحلل أو النفايات دون الحاجة إلى الأكسجين – لاستعادة الطاقة من مياه الصرف عن طريق إنتاج الغاز الحيوي الذي يتكون في الغالب من الميثان – المكون الرئيسي للغاز الطبيعي. لكن هذه العملية عادة ما تكون غير فعالة.

تشير الأبحاث إلى أن المجموعات الميكروبية المستخدمة داخل هذه الهاضمات تشترك في الإلكترونات – ما يسمى بنقل الإلكترون بين الأنواع – مما يفتح إمكانية استخدام الطاقة الإيجابية للتأثير على عملية الأيض.

من خلال توفير جهد صغير للهضم اللاهوائي – وهي عملية تسمى التولد الكهربي – يمكن تحسين مردود الميثان (وبالتالي الكهرباء التي يمكن استعادتها من محطات الطاقة والحرارة المشتركة) بشكل كبير.

في حين أن خلايا الوقود الميكروبية قادرة على توليد الكهرباء لتشغيل الأجهزة الصغيرة ، يبحث الباحثون في طرق لتوسيع نطاق المفاعلات لزيادة كمية الطاقة التي يمكن أن تولدها ، وفهم كيفية عمل نقل الإلكترون خارج الخلية. بدأت بعض الشركات الناشئة مثل Robial و Plant-e في تسويق خلايا الوقود الميكروبية. في المستقبل ، يمكن استخدام خلايا الوقود الميكروبية لتوليد الكهرباء في أنظمة دعم الحياة المتجددة خلال مهمات الفضاء البشرية طويلة المدى. إنها الأيام الأولى ولكن التكنولوجيا تحمل الكثير من الأمل.

يمكن قراءة المزيد من الابتكارات والاختراعات المختلفة من خلال الضغط هنا

للاطلاع على المزيد من المواضيع وأبرز المقالات عبر موقع سجلات الأردن اضغط هنا