माटो माइक्रोबियल इन्धन कोशिकाहरू (SMFCs): नयाँ डिजाइनले वातावरण र किसानहरूलाई फाइदा पुर्‍याउन सक्छ 

The Soil Microbial Fuel कक्षहरू (SMFCs) use naturally occurring bacteria in the soil to generate electricity. As a long-term, decentralised source of renewable power, the SMFCs could be perpetually deployed for real-time monitoring of various environmental conditions and can also contribute to the growth of precision खेती गर्दै and smart cities. However, despite being in existence for over a century, the practical application of SMFCs has been nearly non-existent due to inconsistency in power output. Currently, there is no SMFC that can generate electricity consistently outside high moisture watery conditions. In a recent study, the researchers created and compared different design versions and found that the vertical cell design improves performance and makes SMFCs more resilient to changes in soil moisture.   

सूक्ष्मजीव ईन्धन कोषहरू (MFCs) are bioreactors that produce electricity by converting the energy in the chemical bonds of जैविक compounds into electrical energy through biocatalysis by microbes. The electrons released in the anode compartment by bacterial oxidation of substrate are transferred to cathode where they combine with oxygen and hydrogen ions.  

एरोबिक अवस्था अन्तर्गत बायोकेमिकल प्रतिक्रियाहरू, उदाहरणका लागि, एसीटेटको रूपमा सब्सट्रेट हुन्: 

एनोडमा अक्सीकरण आधा-प्रतिक्रिया 

CH₃सीओओ^- + H एच₂O → CO₂ +HCO₃^- + H एच⁺ +8e^-  

क्याथोडमा आधा-प्रतिक्रिया घटाउनुहोस् 

2 O ₂ + H एच ⁺ + २ एनडी ^-   H २ एच ₂ O 

एनारोबिक वातावरणमा, MFC ले बिजुली उत्पादन गर्न बायोवेस्टलाई सब्सट्रेटको रूपमा प्रयोग गर्न सक्छ। 

MFC सँग दिगो ऊर्जाको वातावरणीय समस्याहरूको समाधानको रूपमा सेवा गर्ने क्षमता छ, ग्लोबल वार्मिंग र जैविक फोहोर व्यवस्थापन। हरियो पूर्वाधार, घाँसे मैदान, सिमसार क्षेत्र वा भूमिगत जस्ता नियमित रासायनिक ब्याट्री र सौर्य प्यानलहरू अपेक्षाभन्दा कम हुने क्षेत्रहरूमा यसको प्रयोगको लागि ठोस केस छ। यी क्षेत्रहरूमा, सौर्य प्यानलहरू रातमा काम गर्दैनन् र सामान्यतया फोहोर वा वनस्पतिहरूले ढाक्छन् जबकि रासायनिक तत्वहरू ब्याटरीहरू leach into the environment. The Soil Microbial Fuel कक्षहरू (SMFCs) come as a sustainable source of energy in such areas in farming, grassland, forest and wasteland to power low energy devices.  

The Soil Microbial Fuel Cells (SMFCs) use naturally occurring bacteria in the soil to generate electricity. Under optimal conditions, SMFCs can produce up to 200 μW of power with a voltage of 731 mV. As a long-term, decentralised source of renewable power, the SMFCs could be perpetually deployed for real-time monitoring of various environmental conditions and guide policy. These can also contribute to the growth of smart cities and खेती.  

यद्यपि, एक शताब्दीभन्दा बढी समयदेखि अस्तित्वमा रहे तापनि, SMFCs को भू-स्तरमा व्यावहारिक प्रयोग धेरै सीमित छ। हाल, त्यहाँ कुनै SMFC छैन जसले उच्च आर्द्रतायुक्त पानीको अवस्था बाहिर लगातार बिजुली उत्पादन गर्न सक्छ। पावर आउटपुटमा असंगति वातावरणीय अवस्था, माटोको आर्द्रता, माटोको प्रकार, माटोमा बसोबास गर्ने जीवाणुहरू आदिमा भिन्नतालाई श्रेय दिइन्छ तर माटोको आर्द्रतामा हुने परिवर्तनले विद्युत उत्पादनको स्थिरतामा अधिकतम असर गर्छ। कोशिकाहरूलाई लगातार पावर आउटपुटको लागि पर्याप्त रूपमा हाइड्रेटेड र अक्सिजनयुक्त रहन आवश्यक छ जुन सुक्खा फोहोरमा भूमिगत गाड्दा गाह्रो समस्या हुन सक्छ।   

ठाडो सेल डिजाइनले कार्यसम्पादनमा सुधार गर्छ र SMFC लाई माटोको आर्द्रतामा हुने परिवर्तनहरूमा थप लचिलो बनाउँछ।  

भर्खरको अध्ययन (SMFC डिप्लोइमेन्ट डाटाको संयुक्त नौ महिनाको साथ २-वर्ष-लामो पुनरावृत्ति डिजाइन प्रक्रिया समावेश) ले सामान्य डिजाइन दिशानिर्देशहरूमा पुग्न सेल डिजाइनहरूको व्यवस्थित परीक्षण गरेको छ। अनुसन्धान टोलीले परम्परागत डिजाइन सहित चार फरक संस्करणहरू सिर्जना र तुलना गर्‍यो जसमा क्याथोड र एनोड दुबै एकअर्कासँग समानान्तर छन्। फ्युल सेलको ठाडो डिजाइन (संस्करण ३: एनोड अभिमुखीकरण तेर्सो र क्याथोड अभिमुखीकरण लंब) उत्कृष्ट प्रदर्शन भएको पाइयो। यसले जलमग्न अवस्थाको आर्द्रता दायरामा केही हदसम्म सुख्खा अवस्थामा राम्रोसँग काम गर्‍यो।  

ठाडो डिजाइनमा, एनोड (ब्याक्टेरियाद्वारा निस्केको इलेक्ट्रोनहरू क्याप्चर गर्न कार्बनबाट बनेको) जमिनको सतहमा सीधा ओसिलो माटोमा गाडिएको हुन्छ जबकि क्याथोड (एक निष्क्रिय, प्रवाहकीय धातुले बनेको) ठाडो रूपमा एनोडको माथि तेर्सो रूपमा जमिनमा बस्छ। स्तर जहाँ अक्सिजन सजिलै उपलब्ध छ घटाउने आधा प्रतिक्रिया को पूरा गर्न को लागी।  

डिजाईनको लागि पावर आउटपुट अवधिभरि उल्लेखनीय रूपमा उच्च थियो जब सेल पानीले डुबायो। यसले पूर्णतया पानीमुनिको अवस्थाबाट केही हदसम्म सुख्खा (भोल्युमद्वारा ४१% पानी) सम्म राम्रोसँग सञ्चालन गर्‍यो तर सक्रिय रहन यसमा अझै पनि उच्च ४१% भोल्युमेट्रिक वाटर कन्टेन्ट (VWC) आवश्यकता थियो।  

यस अध्ययनले SMFCs को स्थिरता र आर्द्रता परिवर्तनहरूमा लचिलोपन सुधार गर्न डिजाइन पक्ष सम्बन्धी प्रश्नलाई सम्बोधन गर्दछ। लेखकहरूले सबै डिजाइनहरू, ट्यूटोरियलहरू र सिमुलेशन उपकरणहरू प्रयोग गर्न र निर्माण गर्न सार्वजनिक रूपमा जारी गरेका छन्, आशा छ, यसले निकट भविष्यमा सटीक खेती जस्ता विविध क्षेत्रहरूमा व्यापक अनुप्रयोगहरूमा अनुवाद गर्नुपर्छ।  

*** 

सन्दर्भ:  

1. विश्वनाथन एएस, 2021। माइक्रोबियल इन्धन कोशिकाहरू: शुरुआतीहरूको लागि एक व्यापक समीक्षा। 3 बायोटेक। मे २०२१; 2021(11): 5. अनलाइन प्रकाशित 248 मे 01। DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. दस बि., एट अल 2024. Soil-Powered Computing: The Engineer's Guide to Practical Soil Microbial Fuel Cell Design। प्रकाशित: 12 जनवरी 2024। अन्तरक्रियात्मक, मोबाइल, पहिरन योग्य र सर्वव्यापी प्रविधिहरूमा ACM को कार्यवाही। खण्ड 7 अंक 4 लेख नम्बर: 196pp 1-40। DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. उत्तर पश्चिमी विश्वविद्यालय। समाचार-फोहोर-संचालित ईन्धन सेल सधैंभरि चल्छ। १२ जनवरी २०२४ मा पोस्ट गरिएको। मा उपलब्ध छ https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***