Trực tiếp hoặc gián tiếp, gần như tất cả sự sống trên Trái đất đều sử dụng năng lượng mặt trời.
Thực vật chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành các hợp chất hữu cơ, khi được sự sống khác tiêu thụ, sẽ truyền năng lượng mặt trời cho phần còn lại của lưới thức ăn. Là con người, chúng ta tiếp cận năng lượng dự trữ này thông qua tiêu hóa và bằng cách đốt cháy thực vật thô hoặc chế biến. Dầu mỏ chỉ là chất hữu cơ đã chết từ lâu do các lực địa chất biến đổi và nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên được chế biến từ ngô, mía và dầu thực vật [nguồn:The New York Times].
Thật không may, dầu mỏ cũng tiềm ẩn nhiều vấn đề về môi trường và an ninh cũng như năng lượng, và nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên - được tinh chế bằng cách đốt cháy các nhiên liệu khác - cũng thiếu tính trung hòa của cacbon. Tệ hơn nữa, khi cây lương thực toàn cầu mất đất sản xuất nhiên liệu sinh học theo nghĩa đen, sự khan hiếm ngày càng gia tăng làm tăng giá lương thực, nạn đói và bất ổn chính trị [nguồn:The New York Times].
Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu có một cách nào đó để có gạo của chúng ta và đốt cháy nó? Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta có thể lấy năng lượng từ cây trồng mà không giết chúng, hoặc tạo ra năng lượng bằng cách sử dụng thực vật và đất đai không cần thiết cho thực phẩm, tất cả đều thông qua sức mạnh của vi khuẩn? Đó là ý tưởng đằng sau tế bào nhiên liệu vi sinh thực vật ( PMFCs ).
Khi nói đến việc làm cho sự sống hoạt động, thực vật có thể nhận được tất cả các báo chí tốt, nhưng chính vi khuẩn có nhiều ác tính mới giữ chuỗi thức ăn lại với nhau. Cụ thể, vi khuẩn lam giúp hình thành cơ sở của nó; vi khuẩn đường ruột giúp chúng ta tiêu hóa thức ăn từ nó; và vi khuẩn trong đất biến chất thải tạo thành thành chất dinh dưỡng mà cây có thể sử dụng.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm những cách khả thi để thu hút sức mạnh từ quá trình trao đổi chất của vi sinh vật này. Đến những năm 1970, những nỗ lực của họ bắt đầu mang lại kết quả dưới dạng các tế bào nhiên liệu vi sinh ( MFCs ) - thiết bị tạo ra điện trực tiếp từ phản ứng hóa học được xúc tác bởi vi khuẩn [nguồn:Rabaey và Verstraete]. MFC cung cấp các tùy chọn năng lượng thấp, có thể tái tạo để theo dõi các chất ô nhiễm, làm sạch và khử muối trong nước cũng như cấp nguồn cho các thiết bị và cảm biến từ xa.
Tất nhiên, có một vấn đề:MFC chỉ hoạt động miễn là chúng có thứ gì đó để xử lý - điển hình là vật liệu hữu cơ trong nước thải [nguồn:Deng, Chen và Zhao; ONR]. Các nhà nghiên cứu nhận ra rằng họ có thể phân phối chất thải đó - một bữa tiệc tự chọn năng lượng mặt trời vô tận của nó - trực tiếp đến các vi sinh vật trong đất từ chính cây trồng và hạt giống của một ý tưởng đã được gieo trồng.
Đến năm 2008, các nhà nghiên cứu đã xuất bản các bài báo công bố sản phẩm đầu tiên trong số các loại MFC chạy bằng thực vật này, và tiềm năng ngày càng rõ ràng [các nguồn:Deng, Chen và Zhao; De Schamphelaire và cộng sự; Strik và cộng sự]. Sử dụng công nghệ có thể mở rộng này, các làng mạc và trang trại ở các nước đang phát triển có thể tự cung tự cấp, trong khi các nước công nghiệp phát triển có thể giảm dấu chân nhà kính bằng cách thu hút điện từ các vùng đất ngập nước, nhà kính hoặc xưởng chế biến sinh học [nguồn:Doty; PlantPower].
Nói tóm lại, PMFC là một sự thay đổi mới hơn, xanh hơn trên "các nhà máy điện" - có thể là như vậy.
Nội dung
Hóa ra, đất chứa đầy tiềm năng (điện) chưa được khai thác.
Khi cây xanh thực hiện công việc quang hợp - chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học, sau đó lưu trữ nó dưới dạng đường như glucose - chúng thải các chất thải qua rễ vào một lớp đất được gọi là thân rễ . Ở đó, vi khuẩn ăn thịt các tế bào bong tróc của thực vật, cùng với protein và đường do rễ của chúng tiết ra [nguồn:Ingham].
Theo thuật ngữ PMFC, điều này có nghĩa là, miễn là thực vật còn sống, vi khuẩn có vé ăn và pin nhiên liệu tạo ra năng lượng. Định luật đầu tiên của nhiệt động lực học, mà một số người dịch là "không có thứ gọi là bữa trưa miễn phí", vẫn được áp dụng vì hệ thống nhận năng lượng từ một nguồn bên ngoài, cụ thể là mặt trời.
Nhưng làm thế nào trên Trái đất, hoặc bên dưới nó, các vi sinh vật tạo ra điện chỉ đơn giản bằng cách tiêu thụ và chuyển hóa thức ăn? Đối với tình yêu hay làm bánh, tất cả đều do hóa học.
Nói chung, MFC hoạt động bằng cách tách hai nửa của một quá trình điện sinh hóa (chuyển hóa) và kết nối chúng với nhau thành một mạch điện. Để hiểu cách thức, chúng ta hãy xem xét sự trao đổi chất của tế bào một cách chi tiết.
Trong ví dụ sau đây trong sách giáo khoa, glucozơ và oxi phản ứng để tạo ra khí cacbonic và nước [nguồn:Bennetto; Rabaey và Verstraete].
C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6C O2 + 6H 2 O
Nhưng trong các tế bào riêng lẻ - hoặc các sinh vật đơn bào như vi khuẩn - tuyên bố rộng rãi này phủ bóng qua một loạt các bước trung gian. Một số bước trong số này giải phóng tạm thời các điện tử, như chúng ta đã biết, rất hữu ích để tạo ra điện. Vì vậy, thay vì glucose và oxy phản ứng để tạo ra carbon dioxide và nước, ở đây glucose và nước tạo ra carbon dioxide, proton (các ion hydro tích điện dương (H + )) và electron (e - ) [nguồn:Bennetto; Rabaey và Verstraete].
C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O → 6CO 2 + 24H + + 24e -
Trong PMFC, nửa quá trình này xác định một nửa pin nhiên liệu. Phần này nằm trong tầng sinh quyển với rễ cây, chất thải và vi khuẩn. Một nửa còn lại của tế bào nằm trong nước giàu oxy ở phía đối diện của một màng thấm. Trong môi trường tự nhiên, lớp màng này được hình thành bởi ranh giới đất-nước [nguồn:Bennetto; Rabaey và Verstraete; Deng, Chen và Zhao].
Trong nửa sau của tế bào, các proton và electron tự do kết hợp với oxy để tạo ra nước, như vậy:
6O 2 + 24H + + 24e - → 12H 2 O
Các proton đạt đến nửa thứ hai này bằng cách chảy qua màng trao đổi ion, tạo ra một điện tích dương thuần - và một thế điện khiến các electron chạy dọc theo dây nối bên ngoài. Thì đấy! Dòng điện [nguồn:Bennetto; Rabaey và Verstraete; Deng, Chen và Zhao].
Nhưng bao nhiêu?
Giải quyết các vấn đề tiềm ẩnViệc xác định tác động môi trường của PMFCs sẽ đòi hỏi nghiên cứu sâu hơn về nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm cả cách các điện cực ảnh hưởng đến môi trường rễ. Ví dụ, chúng có thể làm giảm khả năng cung cấp chất dinh dưỡng hoặc làm giảm khả năng chống lại sự lây nhiễm của cây [nguồn:Deng, Chen và Zhao].
Hơn nữa, vì chúng hoạt động tốt nhất ở một số vùng đất được bảo vệ nhiều nhất của chúng ta - đất ngập nước và đất trồng trọt - PMFCs có thể phải đối mặt với một quy trình phê duyệt về môi trường khó khăn. Mặt khác, MFC trong nước thải có thể oxy hóa amoni và khử nitrat, vì vậy có thể MFC từ thực vật có thể cân bằng rủi ro bằng cách bảo vệ các vùng đất ngập nước khỏi dòng chảy nông nghiệp [nguồn:Deng, Chen và Zhao; Miller; Tweed].
Đọc thêm>
Kể từ năm 2012, PMFCs không tạo ra nhiều năng lượng và chỉ hoạt động trong môi trường nước, với các loại thực vật như cỏ sậy ( Glyceria maxima ), gạo, cỏ dây thông thường ( Spartina anglica ) và cây sậy khổng lồ ( Arundo donax ) [nguồn:Deng, Chen và Zhao; PlantPower]. Nếu bạn tình cờ gặp một cánh đồng PMFC, chẳng hạn như mảnh sân thượng tại Viện Sinh thái Hà Lan ở Wageningen, bạn sẽ không bao giờ biết đó là một bộ sưu tập thực vật, ngoại trừ hệ thống dây điện đầy màu sắc kéo ra từ đất [nguồn:Williams].
Tuy nhiên, những ứng dụng tiềm năng của chúng trong việc giải quyết các vấn đề bền vững toàn cầu khác, bao gồm cả sự căng thẳng do nhiên liệu sinh học gây ra trong hệ thống cung cấp lương thực toàn cầu vốn đã quá tải, tiếp tục truyền cảm hứng cho các nhà nghiên cứu và ít nhất một liên doanh khám phá, dự án PlantPower trị giá 5,23 triệu euro [nguồn:Deng , Chen và Zhao; PlantPower; Tenenbaum].
Bởi vì PMFCs đã có tác dụng với cây thủy sinh, nông dân và làng mạc không cần phải đổ bỏ cây lúa nước của họ để thực hiện chúng. Ở quy mô lớn hơn, các cộng đồng có thể thiết lập PMFC ở các vùng đất ngập nước hoặc các khu vực có chất lượng đất kém, tránh sự cạnh tranh đất đai giữa năng lượng và sản xuất lương thực [nguồn:Strik và cộng sự]. Các thiết lập được chế tạo như nhà kính có thể tạo ra năng lượng quanh năm, nhưng sản xuất điện từ đất nông nghiệp sẽ phụ thuộc vào mùa sinh trưởng [nguồn:PlantPower].
Sản xuất nhiều năng lượng hơn tại địa phương có thể làm giảm lượng khí thải carbon bằng cách giảm nhu cầu vận chuyển nhiên liệu - bản thân nó là một yếu tố đóng góp khí nhà kính lớn. Nhưng có một điểm khó khăn, và đó là một điểm khá quan trọng:Ngay cả khi PMFCs trở nên hiệu quả nhất có thể, chúng vẫn phải đối mặt với một điểm nghẽn - hiệu quả quang hợp và sản xuất chất thải của chính cây trồng.
Thực vật kém hiệu quả một cách đáng ngạc nhiên trong việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành sinh khối. Giới hạn chuyển đổi này một phần xuất phát từ các yếu tố lượng tử ảnh hưởng đến quang hợp và một phần do lục lạp chỉ hấp thụ ánh sáng trong dải 400-700 nanomet, chiếm khoảng 45% bức xạ mặt trời tới [nguồn:Miyamoto].
Hai loại thực vật quang hợp phổ biến nhất trên Trái đất được gọi là C3 và C4, được đặt tên như vậy vì số lượng nguyên tử cacbon trong các phân tử đầu tiên mà chúng hình thành trong quá trình CO 2 sự cố [nguồn:Seegren, Cowcer và Romeo; SERC]. Giới hạn chuyển đổi lý thuyết đối với thực vật C3, chiếm 95 phần trăm thực vật trên Trái đất, bao gồm cả cây cối, chỉ ra ngọn ở mức 4,6 phần trăm, trong khi thực vật C4 như mía và ngô leo lên gần 6 phần trăm. Tuy nhiên, trên thực tế, mỗi loại thực vật này thường chỉ đạt được 70% các giá trị này [nguồn:Deng, Chen và Zhao; Miyamoto; SERC].
Với PMFC, cũng như với bất kỳ máy móc nào, một số năng lượng bị mất trong quá trình vận hành công việc - hoặc, trong trường hợp này, trong việc phát triển cây trồng. Trong số sinh khối được tạo ra bởi quá trình quang hợp, chỉ 20% đến được sinh quyển và chỉ 30% trong số đó trở thành thức ăn cho vi sinh [nguồn:Deng, Chen và Zhao].
PMFCs phục hồi khoảng 9% năng lượng từ quá trình chuyển hóa của vi sinh vật dưới dạng điện năng. Nhìn chung, điều đó dẫn đến tỷ lệ chuyển đổi từ năng lượng mặt trời thành điện của PMFC đạt tới 0,017 phần trăm đối với nhà máy C3 ((70 phần trăm của tỷ lệ chuyển đổi 4,6 phần trăm) x 20 phần trăm x 30 phần trăm x 9 phần trăm) và 0,022 phần trăm đối với thực vật C4 (0,70 x 6,0 x 0,20 x 0,30 x 0,09) [nguồn:Deng, Chen và Zhao; Miyamoto; SERC].
Trên thực tế, một số nhà nghiên cứu cho rằng những giả định đó có thể đánh giá thấp tiềm năng của PMFC, đây chỉ có thể là tin tốt cho người tiêu dùng.
Đó là HydromaticMối quan tâm đến pin nhiên liệu, cho phép ô tô đi được nhiều dặm hơn so với chỉ dùng năng lượng pin và dễ dàng thực hiện hơn trên các phương tiện lớn, tiếp tục tăng kể từ tháng 11 năm 2012 [nguồn:Ko]. Tuy nhiên, trong khi nhiên liệu hydro có vẻ giống như nhiên liệu xanh, việc sản xuất nó đòi hỏi rất nhiều điện năng, khiến nó trở thành bất cứ thứ gì ngoại trừ carbon trung tính [nguồn:Wüst]. PMFCs, sản xuất tự nhiên khí hydro, có thể mang lại hy vọng cho việc sản xuất nhiên liệu hydro thực sự xanh.
Giống như bất kỳ công nghệ mới nào, PMFC phải đối mặt với một số thách thức; chẳng hạn, chúng cần một chất nền đồng thời hỗ trợ sự phát triển của cây trồng và chuyển giao năng lượng - hai mục tiêu đôi khi trái ngược nhau. Ví dụ, sự khác biệt về độ pH giữa hai nửa tế bào có thể làm mất điện thế, do các ion "ngắn" qua màng để đạt được cân bằng hóa học [nguồn:Helder và cộng sự].
Tuy nhiên, nếu các kỹ sư có thể giải quyết các vấn đề khó khăn, PMFC có thể có cả tiềm năng rộng lớn và đa dạng. Tất cả phụ thuộc vào việc chúng có thể tạo ra bao nhiêu năng lượng. Theo một ước tính năm 2008, con số kỳ diệu đó vào khoảng 21 gigajoules (5.800 kilowatt giờ) mỗi ha (2,5 mẫu Anh) mỗi năm [nguồn:Strik et al.]. Nhiều nghiên cứu gần đây đã ước tính rằng con số có thể lên tới 1.000 gigajoules mỗi ha [nguồn:Strik và cộng sự]. Thêm một vài dữ kiện cho quan điểm [nguồn:BP; Ủy ban Châu Âu]:
Dựa trên những con số này, nếu 1 phần trăm đất nông nghiệp của Hoa Kỳ và châu Âu được chuyển đổi thành PMFC, chúng sẽ mang lại ước tính tổng thể là 34,5 triệu gigajoules (9,58 tỷ kilowatt giờ) hàng năm cho châu Âu và 75,6 triệu gigajoules (20,9 tỷ kilowatt-giờ) hàng năm cho Hoa Kỳ.
Để so sánh, 27 quốc gia thuộc Liên minh Châu Âu trong năm 2010 đã tiêu thụ 1,759 triệu tấn dầu tương đương (TOE) về năng lượng, hay 74,2 tỷ gigajoules (20,5 nghìn tỷ kilowatt giờ). TOE là một đơn vị so sánh quốc tế được tiêu chuẩn hóa, bằng với năng lượng có trong một tấn dầu mỏ [nguồn:Ủy ban Châu Âu; Đại học].
Trong kịch bản đơn giản này, PMFCs cung cấp một giọt năng lượng rất lớn, nhưng đó là một giọt không gây ô nhiễm và một giọt được tạo ra từ cảnh quan tươi tốt thay vì các nhà máy điện bốc khói hoặc trang trại gió đập chim.
Hơn nữa, nó chỉ là sự khởi đầu. Các nhà nghiên cứu đã và đang nghiên cứu vi khuẩn ăn rác hiệu quả hơn và từ năm 2008 đến 2012, những tiến bộ trong hóa học cơ chất đã tăng gấp đôi sản lượng điện trong một số PMFC. PlantPower lập luận rằng, một khi được hoàn thiện, PMFC có thể cung cấp tới 20% năng lượng sơ cấp của Châu Âu - nghĩa là, năng lượng có được từ các nguồn tài nguyên thiên nhiên chưa được biến đổi [nguồn:Øvergaard; PlantPower].
PMFC phải trở nên rẻ hơn và hiệu quả hơn trước khi chúng có thể được triển khai rộng rãi, nhưng vẫn đang được tiến hành. Hiện nay, nhiều MFC tiết kiệm tiền bằng cách sản xuất các điện cực từ vải carbon dẫn điện cao hơn là kim loại quý hoặc nỉ graphite đắt tiền [nguồn:Deng, Chen và Zhao; Tweed]. Tính đến năm 2012, chi phí 70 đô la để vận hành thiết lập một mét khối trong điều kiện phòng thí nghiệm.
Khi xem xét tiềm năng của chúng trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm và giảm khí nhà kính, ai biết được? PMFC có thể thu hút đủ sự quan tâm của nhà đầu tư và chính phủ để trở thành nhà máy điện trong tương lai - hoặc gieo mầm cho một ý tưởng thậm chí còn tốt hơn [nguồn:Deng, Chen và Zhao].
Nếu bạn nghĩ về điều đó, việc chế tạo một loại pin có thể hoạt động khỏi các quá trình tiêu hóa của vi khuẩn sẽ đưa chúng ta tiến gần hơn một bước đến cyborg và máy móc tự cung cấp năng lượng. Cơ thể con người dựa vào vi khuẩn đường ruột để chuyển hóa thức ăn thành năng lượng; nếu chúng ta có thể khai thác quá trình này để tạo ra pin nhiên liệu, thì chúng ta cũng có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị cấy ghép trong cơ thể, chẳng hạn như máy điều hòa nhịp tim.
Các nhà nghiên cứu tại Trường Y Harvard và Viện Công nghệ Massachusetts đã làm mờ đường này, xây dựng một chip não được cung cấp năng lượng bởi glucose, mà nó thu hoạch từ dịch não tủy đã được tuần hoàn [nguồn:Rapoport, Kedzierski và Sarpeshkar]. Các cyberbrain có thể bị bỏ xa? (Vâng, có, có thể).
Hãy tưởng tượng:Chúng ta có thể chế tạo những cỗ máy ăn cỏ! Được rồi, điều đó nghe có vẻ không hấp dẫn như súng bắn tia và tàu tên lửa, nhưng những cỗ máy như vậy có thể hoạt động trên thực địa vô thời hạn mà không cần sạc lại hoặc pin mới. Tập hợp các chất MFC có thể tạo thành một đường ruột tạm thời, lấy điện từ glucose thực vật.
Nếu ai đó theo đuổi ý tưởng này, tôi hy vọng họ sẽ sử dụng PMFC. Tôi hình dung những đàn rô bốt gốm trắng được bao phủ bởi Salvia hispanica và tôi đặt câu hỏi:
Người máy có mơ ước về những con vật nuôi bằng điện không?
Cắm điện, đổ xăng:Đây là cách hoạt động của các trạm sạc EV
Cách hệ thống quản lý nhiên liệu hoạt động
Hệ thống nhiên liệu trên xe hoạt động như thế nào?
Bộ chế hòa khí hoạt động như thế nào?