Hogyan működnek a mikrobiális üzemanyagcellák – Elektromosság a földből

Baktériumok, amelyek elektromosságot termelnek

Minden maréknyi föld mélyén baktériumok milliárdjai csendben táplálkoznak, növekednek és – ami figyelemre méltó – elektronokat szabadítanak fel. A mikrobiális üzemanyagcellák (MFC-k) ezeket az elektronokat fogják fel és hasznosítható elektromossággá alakítják. A koncepció megtévesztően egyszerű: hagyjuk, hogy a mikrobák azt csinálják, amit eddig is, és arasszuk le az energiát, amit a folyamat során kibocsátanak.

A technológiát először a 19. század elején mutatta be Michael Cressé Potter botanikus, de évtizedekig háttérbe szorult. Most, az akkumulátormentes, alacsony karbantartási igényű energia iránti növekvő kereslet miatt a távoli helyeken az MFC-k komoly figyelmet vonnak magukra a mérnökök, a gazdálkodók és a környezettudósok részéről.

Hogyan működik a tudomány

A mikrobiális üzemanyagcella hasonlít egy hagyományos akkumulátorra. Van egy anódja (negatív pólus), egy katódja (pozitív pólus) és egy elektrolitja – azzal a különbséggel, hogy az elektrolit föld, szennyvíz vagy bármilyen szerves anyagban gazdag, baktériumokkal teli közeg.

A kulcsszereplők az exo-elektrogén baktériumok – olyan mikroorganizmusok, mint a Geobacter és a Shewanella fajok, amelyek képesek elektronokat átvinni a sejtjeiken kívülre. Ahogy ezek a baktériumok metabolizálják a szerves szenet, elektronokat vonnak el a táplálékukból, és az anódra juttatják azokat. Az elektronok egy külső áramkörön keresztül a katódra jutnak, miközben egy kis elektromos áramot generálnak. A katódon, amely jellemzően oxigénnek van kitéve, az elektronok protonokkal és oxigénnel egyesülve vizet képeznek.

A baktériumok háromféleképpen juttatják az elektronokat az anódra: a sejtfelületükön lévő vezetőképes fehérjéken keresztül, apró szálakon, úgynevezett nanohuzalokon keresztül, vagy olyan kémiai közvetítők kiválasztásával, amelyek az elektronokat átszállítják a résen. Egyes fajok még vastag biofilmeket is építenek az anódon, élő elektromos hálózatokat hozva létre.

A laboratóriumi kuriózumtól a terepi eszközig

Egy mérföldkőnek számító projektben a Northwestern Egyetem mérnökei egy körülbelül egy zsebkönyv méretű, talajjal működő MFC-t fejlesztettek ki. A földbe temetve 68-szor több energiát termelt, mint amennyire a beépített érzékelőinek szüksége volt – ami elegendő a talajnedvesség folyamatos figyeléséhez és az olyan rezgések érzékeléséhez, mint az elhaladó állatok. Az eszköz a kissé száraz talajtól a teljes elmerülésig terjedő körülmények között is működött, és mivel a talajmikrobák folyamatosan pótolják önmagukat, az üzemanyagcella elméletileg végtelen ideig működhet.

A mezőgazdaságon túl az MFC-ket a szennyvíztisztításban is tesztelik. A Foster's sörgyáróriás tesztelte a technológiát a szerves anyagokban gazdag szennyvíz tisztítására, miközben elektromosságot termelt. Egy 1000 literes moduláris MFC rendszer egy éven át folyamatosan működött valós kommunális szennyvízzel, miközben egyszerre tisztította a vizet és termelt energiát. Egy európai kutatási projekt még MFC-hez kapcsolódó bioelektrokémiai rendszereket is használt a tengervíz sótalanítására, körülbelül 85 százalékkal kevesebb energiával, mint a hagyományos módszerek.

Miért fontos – és mi tartja vissza

Az MFC-k olyat kínálnak, amit egyetlen napelem vagy lítium akkumulátor sem: földalatti, karbantartásmentes energiát, amely nem romlik sötétben, és nem szivárog mérgező vegyi anyagokat a talajba. A precíziós mezőgazdaság számára – ahol több ezer eltemetett érzékelő követi nyomon a nedvességet, a hőmérsékletet és a tápanyagokat – ez sorsfordító. A hagyományos akkumulátorok végül lemerülnek, és ki kell ásni őket; egy MFC addig működik, amíg szerves anyag veszi körül.

A technológia az elektronikai hulladék problémáját is kezeli. A Northwestern csapata megjegyezte, hogy a talaj MFC összes alkatrésze megvásárolható egy barkácsboltban, és teljesen biológiailag lebomló változatok is fejlesztés alatt állnak.

Azonban jelentős akadályok vannak még. A teljesítmény még mindig nagyon alacsony – jellemzően mikrowattoktól milliwattokig –, ami messze nem elegendő laptopokhoz vagy telefonokhoz. A méretnövelés nehéz, mert a teljesítmény nem növekszik lineárisan a mérettel, és az elektródaanyagok drágák lehetnek. A következetes teljesítmény fenntartása a változó hőmérsékletek, nedvességtartalmak és talajkémiai viszonyok között további bonyodalmakat okoz.

A jövő útja

A kutatók több oldalról is foglalkoznak ezekkel a korlátokkal: jobb elektródaanyagok tervezésével, a bakteriális közösségek optimalizálásával és több kis cella egymásra rakásával. A növényi-mikrobiális üzemanyagcellák, amelyek a növényi gyökerek által a talajba kiválasztott cukrokat hasznosítják, kimutatták, hogy egyszerre képesek elektromosságot termelni és csökkenteni az üvegházhatású gázok kibocsátását a nedves talajokból.

A mikrobiális üzemanyagcellák nem fogják felváltani az elektromos hálózatokat. De a modern mezőgazdaság, az infrastruktúra-monitoring és a környezettudomány által egyre inkább használt, több milliárdnyi apró, távoli érzékelő számára a földdel működő elektromosság pontosan a megfelelő megoldás lehet – csendes, zöld és lényegében örök.