Прямо или косвенно почти вся жизнь на Земле питается от солнечной энергии.
Растения преобразуют солнечный свет в органические соединения, которые при потреблении другой жизнью передают солнечную энергию остальной части пищевой цепи. Как люди, мы получаем доступ к этой накопленной энергии через пищеварение и сжигая сырые или переработанные растения. Нефть — это просто давно мертвое органическое вещество, преобразованное геологическими силами, а биотопливо первого поколения получают из кукурузы, сахарного тростника и растительного масла [источник:The New York Times].
К сожалению, нефть связана с экологическими проблемами и проблемами безопасности так же, как и с энергией, а биотопливо первого поколения, которое перерабатывается путем сжигания других видов топлива, далеко не соответствует углеродной нейтральности. Хуже того, по мере того как глобальные продовольственные культуры буквально уступают место производству биотоплива, растущий дефицит приводит к росту цен на продовольствие, голоду и политической нестабильности [источник:The New York Times].
Но что, если бы был способ получить наш рис и сжечь его? Что, если бы мы могли получать энергию из сельскохозяйственных культур, не убивая их, или генерировать энергию, используя растения и землю, которые не нужны для еды, за счет силы микробов? В этом заключается идея растительно-микробных топливных элементов. (ПМДЦ ).
Когда дело доходит до того, чтобы заставить жизнь работать, растения могут получить всю хорошую прессу, но это микроб, который держит воедино пищевую цепочку. В частности, цианобактерии помогают сформировать его основу; кишечные микробы помогают нам переваривать пищу из него; а почвенные бактерии превращают полученные отходы в питательные вещества, которые могут использовать растения.
На протяжении десятилетий исследователи искали возможные способы извлечения энергии из этого микробного метаболизма. К 1970-м годам их усилия начали приносить плоды в виде микробных топливных элементов. (МФЦ ) — устройства, вырабатывающие электричество непосредственно в результате химической реакции, катализируемой микробами [источник:Rabaey and Verstraete]. МТЭ предлагают возобновляемые источники энергии с низким энергопотреблением для мониторинга загрязняющих веществ, очистки и опреснения воды, а также питания удаленных датчиков и приборов.
Конечно, есть одна загвоздка:МФЦ функционируют только до тех пор, пока им есть чем питаться — обычно органическим материалом в сточных водах [источники:Дэн, Чен и Чжао; ОНР]. Исследователи поняли, что они могут доставлять эти отходы — бесконечный буфет из них, работающий на солнечной энергии — прямо из растений непосредственно в почвенные микробы, и зародилась идея.
К 2008 году исследователи публиковали документы, объявляющие о первом из этих МТЭ с питанием от растений, и потенциал становился все более очевидным [источники:Дэн, Чен и Чжао; Де Шамфелер и др.; Стрик и др.]. Используя эту масштабируемую технологию, деревни и фермы в развивающихся странах могли бы стать самодостаточными, в то время как промышленно развитые страны могли бы уменьшить свои тепличные следы, получая энергию от водно-болотных угодий, теплиц или биоперерабатывающих заводов [источники:Doty; Мощность завода].
Коротко говоря, PMFC — это более новая, более экологичная версия «электростанций» — может быть.
Содержание
Оказывается, почва полна неиспользованного (электрического) потенциала.
По мере того, как зеленые растения занимаются фотосинтезом — преобразуют энергию солнечного света в химическую энергию, а затем сохраняют ее в виде сахаров, таких как глюкоза, — они выделяют продукты жизнедеятельности через свои корни в слой почвы, известный как ризосфера. . Там бактерии поедают отслоившиеся клетки растений вместе с белками и сахарами, выделяемыми их корнями [источник:Ingham].
В терминах PMFC это означает, что пока живет растение, у бактерий есть талон на питание, а топливный элемент вырабатывает электроэнергию. Первый закон термодинамики, который некоторые переводят как «бесплатных обедов не бывает», по-прежнему действует, поскольку система получает энергию из внешнего источника, а именно от солнца.
Но как на Земле или под ней микробы вырабатывают электричество, просто потребляя и усваивая пищу? Как и в случае с любовью или выпечкой, все сводится к химии.
Вообще говоря, MFC работают, разделяя две половины электробиохимического процесса (метаболизма) и соединяя их вместе в электрическую цепь. Чтобы понять, как это сделать, давайте подробно рассмотрим клеточный метаболизм.
В приведенном ниже примере из учебника глюкоза и кислород реагируют с образованием углекислого газа и воды [источники:Bennetto; Рабай и Верстрате].
С6 Н12 О6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2 О
Но в пределах отдельных клеток — или одноклеточных организмов, таких как бактерии — это широкое утверждение затушевывает ряд промежуточных шагов. Некоторые из этих шагов временно высвобождают электроны, которые, как мы все знаем, удобны для выработки электричества. Так, вместо глюкозы и кислорода, реагирующих с образованием углекислого газа и воды, здесь глюкоза и вода производят углекислый газ, протоны (положительно заряженные ионы водорода (H + )) и электронов (e - ) [источники:Беннетто; Рабай и Верстрате].
С6 Н12 О6 + 6H2 О → 6CO2 + 24 ч + + 24е -
В PMFC эта половина процесса определяет половину топливного элемента. Эта часть находится в ризосфере вместе с корнями растений, отходами жизнедеятельности и бактериями. Другая половина клетки находится в богатой кислородом воде на противоположной стороне проницаемой мембраны. В естественных условиях эта мембрана образована границей почва-вода [источники:Bennetto; Рабай и Верстраете; Дэн, Чен и Чжао].
Во второй половине клетки свободные протоны и электроны соединяются с кислородом, образуя воду, вот так:
6O2 + 24 ч + + 24е - → 12H2 О
Протоны достигают этой второй половины, проходя через ионообменную мембрану, создавая суммарный положительный заряд и электрический потенциал, который заставляет электроны течь по внешнему соединительному проводу. Вуаля! Электрический ток [источники:Bennetto; Рабай и Верстраете; Дэн, Чен и Чжао].
Но сколько?
Искоренение потенциальных проблемОпределение воздействия ПМТЭ на окружающую среду потребует дальнейших исследований в различных областях, включая то, как электроды влияют на корневую среду. Например, они потенциально могут снизить доступность питательных веществ или снизить способность растений бороться с инфекцией [источник:Дэн, Чен и Чжао].
Более того, поскольку они лучше всего работают на некоторых из наших наиболее охраняемых земель — водно-болотных угодьях и пахотных землях — PMFC могут столкнуться с серьезным процессом экологического одобрения. С другой стороны, МФУ сточных вод могут окислять аммоний и восстанавливать нитраты, поэтому вполне возможно, что МФУ на растительной основе могли бы сбалансировать риск, защищая водно-болотные угодья от сельскохозяйственных стоков [источники:Дэн, Чен и Чжао; Миллер; Твид].
Подробнее>
По состоянию на 2012 год ПМТЭ не производят много энергии и работают только в водной среде с такими растениями, как маннаграсс тростниковый (Glyceria maxima). ), рис, трава обыкновенная (Spartina anglica ) и гигантский тростник (Arundo donax ) [источники:Дэн, Чен и Чжао; ЗаводМощность]. Если бы вы натолкнулись на поле PMFC, такое как участок на крыше Нидерландского института экологии в Вагенингене, вы бы никогда не узнали, что это не что иное, как набор растений, за исключением разноцветной проводки, выходящей из почвы [источник:Уильямс].
Тем не менее, их потенциальное применение для решения других глобальных проблем устойчивого развития, включая нагрузку, создаваемую биотопливом на уже перегруженную глобальную систему продовольственного снабжения, продолжает вдохновлять исследователей и, по крайней мере, одно исследовательское предприятие, проект PlantPower стоимостью 5,23 миллиона евро [источники:Дэн , Чен и Чжао; заводская мощность; Тененбаум].
Поскольку PMFC уже работают с водными растениями, фермерам и деревням не нужно сбрасывать свои посевы риса на водной основе, чтобы реализовать их. В более широком масштабе общины могли бы создавать PMFC на водно-болотных угодьях или в районах с плохим качеством почвы, избегая конкуренции за землю между производством энергии и продуктов питания [источник:Strik et al.]. Промышленные установки, такие как теплицы, могут производить энергию в течение всего года, но производство электроэнергии на сельскохозяйственных угодьях будет зависеть от сезона роста [источник:PlantPower].
Производство большего количества энергии на местном уровне может снизить выбросы углерода за счет снижения спроса на транспортировку топлива, которая сама по себе является основным источником парниковых газов. Но есть одна загвоздка, и довольно важная:даже если ПМФУ станут максимально эффективными, они все равно столкнутся с узким местом — эффективностью фотосинтеза и образованием отходов самого растения.
Растения удивительно неэффективны в преобразовании солнечной энергии в биомассу. Этот предел преобразования обусловлен частично квантовыми факторами, влияющими на фотосинтез, и частично тем фактом, что хлоропласты поглощают свет только в диапазоне 400–700 нанометров, на который приходится около 45 процентов поступающего солнечного излучения [источник:Миямото].
Два наиболее распространенных типа фотосинтезирующих растений на Земле известны как C3 и C4, названные так из-за количества атомов углерода в первых молекулах, которые они образуют при CO2. поломка [источники:Зеегрен, Каусер и Ромео; СЕРЦ]. Теоретический предел конверсии для растений С3, которые составляют 95 процентов растений на Земле, включая деревья, достигает всего 4,6 процента, в то время как растения С4, такие как сахарный тростник и кукуруза, приближаются к 6 процентам. На практике, однако, каждый из этих типов растений обычно достигает только 70 процентов этих значений [источники:Дэн, Чен и Чжао; Миямото; SERC].
С PMFC, как и с любой машиной, часть энергии теряется при выполнении работ или, в данном случае, при выращивании растения. Из биомассы, созданной в результате фотосинтеза, только 20 % достигает ризосферы, и только 30 % становятся доступными микробам в качестве пищи [источник:Дэн, Чен и Чжао].
PMFC восстанавливают около 9 процентов энергии в результате микробного метаболизма в виде электричества. В целом, это соответствует коэффициенту преобразования солнечной энергии в электрическую, приближающемуся к 0,017 процента для установок C3 ((70 процентов от коэффициента преобразования 4,6 процента) x 20 процентов x 30 процентов x 9 процентов) и 0,022 процента для установок C4 (0,70 x 6,0 х 0,20 х 0,30 х 0,09) [источники:Дэн, Чен и Чжао; Миямото; SERC].
На самом деле, некоторые исследователи считают, что эти предположения могут недооценивать потенциал ПМФУ, что может быть только хорошей новостью для потребителей.
это гидроматикИнтерес к топливным элементам, которые позволяют автомобилям проезжать больше километров, чем на одной батарее, и которые легче реализовать в больших транспортных средствах, продолжал расти по состоянию на ноябрь 2012 года [источник:Ko]. Но, хотя водородное топливо может показаться зеленоватым, его производство требует большого количества электроэнергии, что делает его совсем не углеродно-нейтральным [источник:Wüst]. ПМТЭ, которые естественным образом производят газообразный водород, могут дать надежду на производство экологически чистого водородного топлива.
Как и любая новая технология, PMFC сталкиваются с рядом проблем; например, им нужен субстрат, который одновременно способствует росту растений и передаче энергии — две цели, которые иногда противоречат друг другу. Различия в рН между двумя половинками клетки, например, могут привести к потере электрического потенциала, поскольку ионы «замыкаются» через мембрану для достижения химического баланса [источник:Helder et al.].
Однако, если инженеры смогут устранить изломы, PMFC могут иметь как огромный, так и разнообразный потенциал. Все сводится к тому, сколько энергии они могут производить. Согласно оценке 2008 года, это магическое число составляет около 21 гигаджоуля (5800 киловатт-часов) на гектар (2,5 акра) каждый год [источник:Стрик и др.]. Более поздние исследования показали, что это число может достигать 1000 гигаджоулей на гектар [источник:Strik et al.]. Еще несколько фактов для перспективы [источники:BP; Европейская комиссия]:
Основываясь на этих цифрах, если бы 1 процент сельскохозяйственных угодий США и Европы был преобразован в ПМФУ, это дало бы предварительную оценку в 34,5 миллиона гигаджоулей (9,58 миллиарда киловатт-часов) в год для Европы и 75,6 миллиона гигаджоулей (20,9 миллиарда киловатт-часов). миллиардов киловатт-часов) ежегодно для Америки.
Для сравнения, 27 стран Европейского Союза в 2010 году потребляли 1 759 миллионов тонн нефтяного эквивалента (ТНЭ). энергии, или 74,2 млрд гигаджоулей (20,5 трлн киловатт-часов). TOE — стандартизированная единица международного сравнения, равная энергии, содержащейся в одной тонне нефти [источники:Европейская комиссия; Университет].
В этом упрощенном сценарии PMFC обеспечивают каплю в очень большом энергетическом ведре, но это капля, не загрязняющая окружающую среду, и капля, полученная из пышных ландшафтов, а не из дымящих электростанций или ветряных электростанций, уничтожающих птиц.
Более того, это только начало. Исследователи уже работают над более эффективными бактериями, пожирающими отходы, и в период с 2008 по 2012 год достижения в химии субстратов более чем удвоили производство электроэнергии в некоторых ПМТЭ. PlantPower утверждает, что после усовершенствования PMFC могли бы обеспечивать до 20 процентов первичной энергии в Европе. -- то есть энергия, полученная из непреобразованных природных ресурсов [источник:Øvergaard; Мощность завода].
PMFC должны стать дешевле и эффективнее, прежде чем они смогут получить широкое распространение, но прогресс уже есть. Уже сейчас многие MFC экономят деньги, изготавливая электроды из углеродной ткани с высокой проводимостью, а не из драгоценных металлов или дорогого графитового войлока [источники:Дэн, Чен и Чжао; Твид]. По состоянию на 2012 год эксплуатация установки объемом один кубический метр в лабораторных условиях стоила 70 долларов США.
Если учесть их потенциал для удаления загрязняющих веществ и сокращения выбросов парниковых газов, кто знает? PMFC могут привлечь достаточный интерес инвесторов и правительства, чтобы стать электростанциями будущего или посеять семена еще лучшей идеи [источник:Дэн, Чен и Чжао].
Если подумать, создание батареи, которая может питаться от пищеварительных процессов бактерий, приближает нас на один шаг к киборгам и машинам с автономным питанием. Человеческое тело использует кишечные бактерии для преобразования пищи в энергию; если бы мы могли использовать этот процесс для производства топливных элементов, мы могли бы также питать телесные имплантаты, такие как кардиостимуляторы.
Исследователи из Гарвардской медицинской школы и Массачусетского технологического института уже размыли эту грань, сконструировав мозговой чип, работающий на глюкозе, которую он собирает из рециркулирующей спинномозговой жидкости [источник:Рапопорт, Кедзиерски и Сарпешкар]. Могут ли кибермозги быть далеко позади? (Ну да, наверное).
Только представьте:мы могли бы построить машины, которые пасутся! Хорошо, это может звучать не так привлекательно, как лучевые пушки и ракетные корабли, но такие машины могут оставаться активными в полевых условиях бесконечно долго без необходимости подзарядки или новых батарей. Набор МФЦ может стать импровизированным кишечником, вытягивающим электричество из растительной глюкозы.
Если кто-то продолжит эту идею, я надеюсь, что они будут использовать PMFC. Я представляю стада белых керамических роботов, покрытых Salvia hispanica. , и я задаю вопрос:
Мечтают ли андроиды об электрических Chia Pets?
Подключись, заправься:вот как работают зарядные станции для электромобилей
Как работают системы управления подачей топлива
Как работают автомобили на топливных элементах?
Как работают карбюраторы с регулируемым жиклером
Как работают карбюраторы?