استخراج بی پایان انرژی از زمین

تیمی از دانشگاه نورث وسترن روش جدیدی برای تولید برق نشان داده است. آنها دستگاهی به اندازه یک کتاب معرفی کردند که روی زمین می نشیند و نیروی ایجاد شده توسط میکروب های تجزیه خاک را جذب می کند (اگر کربن در خاک وجود داشته باشد).

به گزارش نیواطلس، سلول های سوختی میکروبی، همانطور که از نام آن پیداست، بیش از 100 سال است که وجود داشته است. آنها کمی شبیه باتری،  با آند، کاتد و الکترولیت کار می کنند، اما به جای انرژی گرفتن از یک منبع شیمیایی، با باکتری هایی کار می کنند که به طور طبیعی الکترون ها را به هادی های مجاور آزاد می کنند.

این پیل سوختی دوباره اختراع شده، میکروب های طبیعی موجود در خاک را برای تولید انرژی مهار می کند.

این دستگاه با انرژی زمین جایگزین مناسبی برای باتری‌های حسگرهای زیرزمینی است که در کشاورزی دقیق استفاده می‌شوند.

پیل سوختی میکروبی(MFC)  یا سلول های سوختی بیولوژیکی یک سیستم بیوشیمیایی هستند که با تقلید از فعالیت باکتری های موجود در طبیعت، نیروی الکتریکی تولید می کنند. پیل سوختی میکروبی نوعی سیستم پیل سوختی بیوشیمیایی است که با تبدیل الکترون های تولید شده توسط اکسیداسیون میکروبی ترکیبات احیا شده (که به آن ها سوخت یا دهنده های الکترون نیز گفته می شود) در آند به ترکیبات اکسید کننده (به عنوان اکسید کننده یا همچنین “اکسید کننده”) نیروی الکتریکی تولید می کند. (که به آن گیرنده الکترون گفته می شود) از طریق یک مدار خارجی به کاتد منتقل می شود.

پیل های سوختی را می توان به دو دسته کلی «با واسطه و بدون واسطه» تقسیم کرد. اولین سلول های سوختی که در اوایل قرن بیستم معرفی شدند، از یک واسطه استفاده می کردند، یک ماده شیمیایی که الکترون ها را از باکتری های موجود در سلول به آند منتقل می کند. پیل‌های سوختی غیرواسطه در دهه 1970 وارد بازار شدند. در این نوع پیل سوختی، باکتری ها معمولاً دارای پروتئین های فعال الکتروشیمیایی مانند سیتوکروم ها بر روی غشای خارجی خود هستند که می توانند الکترون ها را مستقیماً به آند منتقل کنند.

محققان دانشگاه نورث وسترن عمر طولانی پیل سوختی قدرتمند خود را ستایش می کنند و نشان داده اند که می تواند در شرایط مختلف محیطی از جمله خاک خشک و مناطق مستعد سیل مقاومت کند.

تاکنون ایده این بوده است که آب و اکسیژن را در زمانی که در زمین دفن شده اند تامین کنیم. بیل ین، فارغ التحصیل دانشگاه نورث وسترن، می گوید: اگرچه این دستگاه ها بیش از یک قرن است که به عنوان یک مفهوم وجود داشته اند، عملکرد نامشخص و توان خروجی کم آنها تلاش ها برای به کارگیری آنها را به ویژه در شرایط کم مصرف مختل کرده است. پروژه رطوبت متوقف شده بود.

بنابراین تیم تصمیم به توسعه چندین طرح جدید با هدف دسترسی مداوم سلول ها به اکسیژن و آب کرد و با طراحی کارتریجی شکل که به صورت عمودی روی یک دیسک افقی قرار می گیرد، موفق شدند.

یک آند نمدی کربن دیسکی شکل به صورت افقی در پایین دستگاه قرار می گیرد و به عمق خاک نفوذ می کند، جایی که می تواند الکترون ها را جذب کند، زیرا میکروب ها خاک را تجزیه می کنند.

در همین حال، کاتد فلزی رسانا به صورت عمودی بالای آند قرار می گیرد. بنابراین قسمت پایین به اندازه کافی عمیق می شود که به رطوبت عمیق خاک دسترسی پیدا کند، در حالی که قسمت بالایی همسطح با زمین است و یک شکاف هوای تازه در تمام طول الکترود می گذرد و یک کلاه محافظ در بالا از ریزش خاک و تبدیل شدن به زباله جلوگیری می کند. شکستن دسترسی اکسیژن به کاتد بخشی از کاتد نیز با یک ماده عایق آب پوشانده شده است به طوری که در حضور آب، قسمت آبگریز کاتد همچنان در تماس با اکسیژن برای عملکرد پیل سوختی است.

بر روی سطح کاتد، محققان از یک ماده ضد آب استفاده کردند که به آن اجازه می دهد حتی در هنگام غرقابی کار کند و خشک شدن تدریجی پس از غوطه ور شدن در آب را تضمین می کند.

جورج ولز، نویسنده اصلی این مطالعه می گوید: «این میکروب ها همه جا هستند. آنها اکنون در همه جای زمین زندگی می کنند و ما می توانیم با استفاده از سیستم های فنی بسیار ساده از آنها برق تولید کنیم. ما کل شهرها را با این انرژی نیرو نمی‌دهیم، اما می‌توانیم مقادیر بسیار کمی انرژی برای تأمین انرژی کاربردهای مهم و کم مصرف تولید کنیم.

علاوه بر این، مواد شیمیایی باقی مانده از باتری ها می توانند به طور بالقوه به داخل زمین نفوذ کنند. این فناوری جدید جایگزینی سازگار با محیط زیست ارائه می دهد که نگرانی های زیست محیطی مرتبط با اجزای خطرناک باتری را کاهش می دهد و همچنین غیر قابل اشتعال است.

این طرح در آزمایش‌ها در سطوح مختلف رطوبت خاک، از کاملاً خیس‌شده تا نسبتاً خشک، به طور مداوم به خوبی عمل کرد و به طور متوسط ​​حدود 68 برابر بیشتر از حسگرهایش که برای کار نیاز داشتند انرژی تولید کرد. همچنین به اندازه کافی قوی بود که بتواند از تغییرات شدید رطوبت خاک جان سالم به در ببرد.

مانند سایر منابع تولید برق درازمدت، مانند باتری های الماسی بتا ولتاییک ساخته شده از زباله های هسته ای، مقدار برق تولید شده در اینجا برای روشن کردن یک ماشین یا روشن کردن یک گوشی هوشمند کافی نیست، بلکه برای تامین انرژی حسگرهای کوچکی که باید از آنها استفاده شود کافی است. یک دوره زمانی طولانی تر بدون نیاز به تعویض منظم باتری برای مدت زمان طولانی تری کار کنید.

علاوه بر این، محققان حسگر زمین را به یک آنتن کوچک متصل کردند تا ارتباط بی سیم را فعال کنند. این به پیل سوختی اجازه داد تا با انعکاس سیگنال‌های فرکانس رادیویی موجود، داده‌ها را به ایستگاه نزدیک منتقل کند.

قابل توجه است که این پیل سوختی خاکی 120 درصد بهتر از فناوری های مشابه عمل می کند.

بیل ین می‌گوید: «اگر آینده‌ای را با تریلیون‌ها دستگاه تصور کنیم، نمی‌توانیم همه آن‌ها را از لیتیوم، فلزات سنگین و سموم خطرناک برای محیط‌زیست بسازیم.» ما باید جایگزین‌هایی پیدا کنیم که بتواند مقادیر کمی انرژی برای تامین انرژی یک دستگاه تامین کند. شبکه توزیع شده دستگاه ها به دنبال راه حلی، به سراغ سلول های سوختی میکروبی خاک رفتیم که از میکروب های تخصصی برای تجزیه خاک و مصرف این مقدار اندک انرژی استفاده می کنند. تا زمانی که کربن آلی در خاک وجود دارد که میکروب ها می توانند آن را تجزیه کنند، سلول سوختی ما ممکن است قادر به زنده ماندن باشد.

بنابراین، حسگرهایی مانند این می‌توانند برای کشاورزانی که می‌خواهند عناصر مختلف خاک مانند رطوبت، مواد مغذی، آلاینده‌ها و غیره را پایش کنند و از روش کشاورزی دقیق مبتنی بر فناوری استفاده کنند، بسیار مفید باشد. بنابراین، اگر چندین مورد از این دستگاه‌ها را در شرکت خود راه‌اندازی کنید، می‌توانند برای سال‌ها، شاید حتی دهه‌ها، داده‌ها را برای شما تولید کنند.

لازم به ذکر است که طبق گفته تیم تحقیقاتی، تمامی قطعات این دستگاه را می توان از فروشگاه های سخت افزاری خریداری کرد. بنابراین از نظر زنجیره تامین یا مواد برای بازاریابی گسترده این محصول مشکلی وجود ندارد.