Piles à combustible microbiennes du sol (SMFC) : la nouvelle conception pourrait bénéficier à l'environnement et aux agriculteurs 

Le carburant microbien du sol Cellules (SMFC) utilisent des bactéries naturellement présentes dans le sol pour produire de l’électricité. En tant que source d'énergie renouvelable décentralisée à long terme, les SMFC pourraient être déployés à perpétuité pour la surveillance en temps réel de diverses conditions environnementales et peuvent également contribuer à l'augmentation de la précision. agriculture et les villes intelligentes. Cependant, bien qu’ils existent depuis plus d’un siècle, l’application pratique des SMFC est presque inexistante en raison de l’incohérence de la puissance de sortie. Actuellement, il n’existe aucun SMFC capable de produire de l’électricité de manière constante en dehors de conditions aqueuses à forte humidité. Dans une étude récente, les chercheurs ont créé et comparé différentes versions de conception et ont découvert que la conception à cellules verticales améliore les performances et rend les SMFC plus résilients aux changements d'humidité du sol.   

Microbienne réservoirs de carburant (MFC) sont des bioréacteurs qui produisent de l'électricité en convertissant l'énergie des liaisons chimiques de biologique composés en énergie électrique par biocatalyse par des microbes. Les électrons libérés dans le compartiment anodique par l'oxydation bactérienne du substrat sont transférés à la cathode où ils se combinent avec les ions oxygène et hydrogène.  

Les réactions biochimiques en condition aérobie, par exemple, pour l'acétate comme substrat sont : 

demi-réaction d'oxydation sur l'anode 

CH₃COO^- + 3H₂O → CO₂ +HCO₃^- + 8H⁺ +8e^-  

demi-réaction de réduction sur la cathode 

2 O ₂ + 8 H ⁺ + 8 e ^-   → 4 heures ₂ O 

En environnement anaérobie, les MFC peuvent utiliser les biodéchets comme substrat pour produire de l’électricité. 

Les MFC ont le potentiel de servir de solution aux problèmes environnementaux liés à l'énergie durable, au réchauffement climatique et la gestion des biodéchets. Il présente de solides arguments pour une application dans les domaines où les batteries chimiques classiques et les panneaux solaires ne répondent pas aux attentes, comme dans les infrastructures vertes, les prairies, les zones humides ou le sous-sol. Dans ces zones, les panneaux solaires ne fonctionnent pas la nuit et sont généralement recouverts de saleté ou de végétation tandis que les constituants des produits chimiques Batteries s'infiltrer dans l'environnement. Le carburant microbien du sol Cellules (SMFC) constituent une source d'énergie durable dans des zones agricoles, des prairies, des forêts et des friches pour alimenter des appareils à faible consommation d'énergie.  

Les piles à combustible microbiennes du sol (SMFC) utilisent des bactéries naturellement présentes dans le sol pour produire de l'électricité. Dans des conditions optimales, les SMFC peuvent produire jusqu'à 200 μW de puissance avec une tension de 731 mV. En tant que source décentralisée d’énergie renouvelable à long terme, les SMFC pourraient être déployés à perpétuité pour surveiller en temps réel diverses conditions environnementales et orienter les politiques. Celles-ci peuvent également contribuer à la croissance des villes intelligentes et fermes.  

Cependant, bien qu’ils existent depuis plus d’un siècle, l’application pratique des SMFC au niveau du terrain a été très limitée. Actuellement, il n’existe aucun SMFC capable de produire de l’électricité de manière constante en dehors de conditions aqueuses à forte humidité. L'incohérence de la puissance de sortie est attribuée aux différences de conditions environnementales, d'humidité du sol, de types de sol, de microbes habitant le sol, etc., mais les changements dans l'humidité du sol ont une incidence maximale sur la cohérence de la puissance de sortie. Les cellules doivent rester suffisamment hydratées et oxygénées pour une puissance de sortie constante, ce qui peut être un problème difficile lorsqu'elles sont enfouies sous terre dans de la terre sèche.   

La conception des cellules verticales améliore les performances et rend les SMFC plus résistants aux changements d'humidité du sol.  

Une étude récente (impliquant un processus de conception itératif de deux ans avec neuf mois combinés de données de déploiement SMFC) a systématiquement testé les conceptions de cellules pour arriver à des directives générales de conception. L'équipe de recherche a créé et comparé quatre versions différentes, y compris la conception traditionnelle dans laquelle la cathode et l'anode sont parallèles l'une à l'autre. La conception verticale (version 2 : orientation de l'anode horizontale et orientation de la cathode perpendiculaire) de la pile à combustible s'est avérée la plus performante. Il a bien fonctionné dans la plage d'humidité allant de conditions inondées à des conditions quelque peu sèches.  

Dans la conception verticale, l'anode (en carbone pour capturer les électrons libérés par les bactéries) est enfouie dans le sol humide perpendiculairement à la surface du sol tandis que la cathode (en métal inerte et conducteur) se trouve verticalement au sommet de l'anode horizontalement au sol. niveau où l'oxygène est facilement disponible pour l'achèvement de la demi-réaction de réduction.  

La puissance de sortie nécessaire à la conception était nettement plus élevée pendant toute la durée de l’inondation de la cellule. Il a bien fonctionné depuis des conditions complètement immergées jusqu'à un peu sec (41 % d'eau en volume), mais il avait toujours une teneur élevée en eau volumétrique (VWC) de 41 % pour rester actif.  

Cette étude aborde la question concernant l'aspect de conception des SMFC visant à améliorer la cohérence et la résilience aux changements d'humidité. Étant donné que les auteurs ont rendu publics tous les modèles, didacticiels et outils de simulation pour qu'ils puissent les utiliser et les développer, nous espérons que cela devrait se traduire dans un avenir proche par des applications plus larges dans divers domaines, tels que l'agriculture de précision.  

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Références:  

1. Vishwanathan AS, 2021. Piles à combustible microbiennes : une revue complète pour les débutants. 3 Biotechnologie. mai 2021 ; 11(5) : 248. Publié en ligne le 01er mai 2021. DOI : https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. Dix B., et al 2024. Informatique alimentée par le sol : Guide de l'ingénieur pour la conception pratique de piles à combustible microbiennes dans le sol. Publié le 12 janvier 2024. Actes de l'ACM sur les technologies interactives, mobiles, portables et omniprésentes. Volume 7 Numéro 4Numéro d'article : 196pp 1–40. EST CE QUE JE: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Université du nord-ouest. La pile à combustible alimentée par News-Dirt fonctionne pour toujours. Publié le 12 janvier 2024. Disponible sur https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

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