Jak działają mikrobiologiczne ogniwa paliwowe – energia elektryczna z ziemi

Bakterie, które generują energię elektryczną

Głęboko w każdej garści gleby miliardy bakterii po cichu jedzą, rosną i – co niezwykłe – uwalniają elektrony. Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (MFC, z ang. Microbial Fuel Cells) wychwytują te elektrony i kierują je do użytecznej energii elektrycznej. Koncepcja jest zwodniczo prosta: pozwólmy mikrobom robić to, co już robią, i zbierajmy energię, którą uwalniają w tym procesie.

Technologia ta, po raz pierwszy zademonstrowana na początku XX wieku przez botanika Michaela Cressé Pottera, przez dziesięciolecia pozostawała w stagnacji. Obecnie, wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na bezbateryjne, niewymagające konserwacji zasilanie w odległych lokalizacjach, MFC przyciągają poważną uwagę inżynierów, rolników i naukowców zajmujących się ochroną środowiska.

Jak działa nauka

Mikrobiologiczne ogniwo paliwowe przypomina konwencjonalną baterię. Posiada anodę (biegun ujemny), katodę (biegun dodatni) i elektrolit – z tym wyjątkiem, że elektrolitem jest ziemia, ścieki lub dowolne podłoże bogate w materię organiczną, rojące się od bakterii.

Kluczowymi graczami są bakterie egzoelektrogenne – mikroorganizmy, takie jak gatunki Geobacter i Shewanella, które mogą przenosić elektrony poza swoje komórki. Gdy bakterie te metabolizują organiczny węgiel, odbierają elektrony z pożywienia i przekazują je na anodę. Elektrony przemieszczają się przez obwód zewnętrzny do katody, generując po drodze niewielki prąd elektryczny. Na katodzie, zazwyczaj wystawionej na działanie tlenu, elektrony łączą się z protonami i tlenem, tworząc wodę.

Bakterie transportują elektrony do anody na trzy sposoby: poprzez przewodzące białka na powierzchni komórek, za pomocą maleńkich włókien zwanych nanodrutami lub poprzez wydzielanie mediatorów chemicznych, które przenoszą elektrony przez szczelinę. Niektóre gatunki budują nawet grube biofilmy na anodzie, tworząc żywe sieci elektryczne.

Od laboratoryjnej ciekawostki do urządzenia terenowego

W przełomowym projekcie inżynierowie z Northwestern University opracowali zasilane glebą MFC o rozmiarach zbliżonych do książki w miękkiej oprawie. Zakopane w ziemi generowało 68 razy więcej energii niż wymagały tego wbudowane czujniki – wystarczająco dużo, aby stale monitorować wilgotność gleby i wykrywać wibracje, takie jak przechodzące zwierzęta. Urządzenie działało w warunkach od nieco suchej gleby po całkowite zanurzenie, a ponieważ mikroby glebowe stale się odnawiają, ogniwo paliwowe teoretycznie może działać w nieskończoność.

Oprócz rolnictwa, MFC są testowane w oczyszczaniu ścieków. Browarniczy gigant Foster's przetestował tę technologię w celu oczyszczenia swoich bogatych w substancje organiczne ścieków, jednocześnie generując energię elektryczną. Modułowy system MFC o pojemności 1000 litrów pracował w sposób ciągły przez rok na rzeczywistych ściekach komunalnych, jednocześnie oczyszczając wodę i wytwarzając energię. Europejski projekt badawczy wykorzystał nawet systemy bioelektrochemiczne związane z MFC do odsalania wody morskiej przy zużyciu energii o około 85 procent mniejszym niż w przypadku konwencjonalnych metod.

Dlaczego to ma znaczenie – i co to hamuje

MFC oferują coś, czego nie może zaoferować żaden panel słoneczny ani bateria litowa: podziemne, bezobsługowe zasilanie, które nie ulega degradacji w ciemności ani nie uwalnia toksycznych chemikaliów do gleby. Dla rolnictwa precyzyjnego – gdzie tysiące zakopanych czujników śledzi wilgotność, temperaturę i składniki odżywcze – jest to przełom. Konwencjonalne baterie w końcu się wyczerpują i muszą zostać wykopane; MFC działa tak długo, jak otacza go materia organiczna.

Technologia ta rozwiązuje również problem odpadów elektronicznych. Zespół z Northwestern zauważył, że wszystkie elementy ich glebowego MFC można kupić w sklepie z narzędziami, a w fazie rozwoju są w pełni biodegradowalne wersje.

Jednak pozostają istotne przeszkody. Moc wyjściowa jest nadal bardzo niska – zazwyczaj mikrowaty do miliwatów – zdecydowanie za mało dla laptopów lub telefonów. Skalowanie jest trudne, ponieważ wydajność nie wzrasta liniowo wraz z rozmiarem, a materiały elektrod mogą być drogie. Utrzymanie stałej mocy w różnych temperaturach, poziomach wilgotności i składzie chemicznym gleby dodaje kolejną warstwę złożoności.

Przyszłość

Naukowcy pokonują te ograniczenia z wielu stron: projektują lepsze materiały elektrod, optymalizują społeczności bakteryjne i łączą ze sobą wiele małych ogniw. Roślinno-mikrobiologiczne ogniwa paliwowe, które wykorzystują cukry wydzielane przez korzenie roślin do gleby, wykazały, że mogą jednocześnie generować energię elektryczną i redukować emisję gazów cieplarnianych z mokrych gleb.

Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe nie zastąpią sieci energetycznych. Ale dla miliardów małych, zdalnych czujników, od których w coraz większym stopniu zależy nowoczesne rolnictwo, monitorowanie infrastruktury i nauki o środowisku, energia elektryczna zasilana ziemią może być idealnym rozwiązaniem – cichym, ekologicznym i zasadniczo wiecznym.