ಮಣ್ಣಿನ ಸೂಕ್ಷ್ಮಜೀವಿಯ ಇಂಧನ ಕೋಶಗಳು (SMFCs): ಹೊಸ ವಿನ್ಯಾಸವು ಪರಿಸರ ಮತ್ತು ರೈತರಿಗೆ ಪ್ರಯೋಜನವನ್ನು ನೀಡುತ್ತದೆ 

The Soil Microbial Fuel ಜೀವಕೋಶಗಳು (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 ಕೃಷಿ 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.   

ಸೂಕ್ಷ್ಮಜೀವಿಯ ಇಂಧನ ಕೋಶಗಳು (MFCs) are bioreactors that produce electricity by converting the energy in the chemical bonds of ಸಾವಯವ 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.  

ಏರೋಬಿಕ್ ಸ್ಥಿತಿಯಲ್ಲಿರುವ ಜೀವರಾಸಾಯನಿಕ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆಗಳು, ಉದಾಹರಣೆಗೆ, ಅಸಿಟೇಟ್ ತಲಾಧಾರವಾಗಿ: 

ಆನೋಡ್‌ನಲ್ಲಿ ಆಕ್ಸಿಡೀಕರಣ ಅರ್ಧ-ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆ 

CH₃ಸಿಒಒ^- + 3 ಹೆಚ್₂O → CO₂ +HCO₃^- + 8 ಹೆಚ್⁺ +8e^-  

ಕ್ಯಾಥೋಡ್‌ನಲ್ಲಿ ಅರ್ಧ-ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆ ಕಡಿತ 

2 ಒ ₂ + 8 ಎಚ್ ⁺ + 8 ನೇ ^-   → 4 ಎಚ್ ₂ O 

ಆಮ್ಲಜನಕರಹಿತ ಪರಿಸರದಲ್ಲಿ, MFCಗಳು ವಿದ್ಯುತ್ ಉತ್ಪಾದಿಸಲು ಜೈವಿಕ ತ್ಯಾಜ್ಯವನ್ನು ತಲಾಧಾರವಾಗಿ ಬಳಸಬಹುದು. 

MFC ಗಳು ಸಮರ್ಥನೀಯ ಶಕ್ತಿಯ ಪರಿಸರ ಸಮಸ್ಯೆಗಳಿಗೆ ಪರಿಹಾರವಾಗಿ ಕಾರ್ಯನಿರ್ವಹಿಸುವ ಸಾಮರ್ಥ್ಯವನ್ನು ಹೊಂದಿವೆ, ಜಾಗತಿಕ ತಾಪಮಾನ ಏರಿಕೆ ಮತ್ತು ಜೈವಿಕ ತ್ಯಾಜ್ಯ ನಿರ್ವಹಣೆ. ಸಾಮಾನ್ಯ ರಾಸಾಯನಿಕ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳು ಮತ್ತು ಸೌರ ಫಲಕಗಳು ಹಸಿರು ಮೂಲಸೌಕರ್ಯಗಳು, ಹುಲ್ಲುಗಾವಲುಗಳು, ಜೌಗು ಪ್ರದೇಶಗಳು ಅಥವಾ ಭೂಗತದಲ್ಲಿ ನಿರೀಕ್ಷೆಗಿಂತ ಕಡಿಮೆ ಇರುವ ಪ್ರದೇಶಗಳಲ್ಲಿ ಇದು ಅನ್ವಯಿಸಲು ಘನವಾದ ಪ್ರಕರಣವನ್ನು ಹೊಂದಿದೆ. ಈ ಪ್ರದೇಶಗಳಲ್ಲಿ, ಸೌರ ಫಲಕಗಳು ರಾತ್ರಿಯಲ್ಲಿ ಕೆಲಸ ಮಾಡುವುದಿಲ್ಲ ಮತ್ತು ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ ರಾಸಾಯನಿಕ ಅಂಶಗಳಿರುವಾಗ ಕೊಳಕು ಅಥವಾ ಸಸ್ಯಗಳಿಂದ ಮುಚ್ಚಲ್ಪಡುತ್ತವೆ. ಬ್ಯಾಟರಿಗಳು leach into the environment. The Soil Microbial Fuel ಜೀವಕೋಶಗಳು (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 ಸಾಕಣೆ ಕೇಂದ್ರಗಳು.  

ಆದಾಗ್ಯೂ, ಒಂದು ಶತಮಾನಕ್ಕೂ ಹೆಚ್ಚು ಕಾಲ ಅಸ್ತಿತ್ವದಲ್ಲಿದ್ದರೂ, ನೆಲದ ಮಟ್ಟದಲ್ಲಿ SMFC ಗಳ ಪ್ರಾಯೋಗಿಕ ಅನ್ವಯವು ತುಂಬಾ ಸೀಮಿತವಾಗಿದೆ. ಪ್ರಸ್ತುತ, ಹೆಚ್ಚಿನ ತೇವಾಂಶದ ನೀರಿನ ಪರಿಸ್ಥಿತಿಗಳ ಹೊರಗೆ ಸ್ಥಿರವಾಗಿ ವಿದ್ಯುತ್ ಉತ್ಪಾದಿಸುವ ಯಾವುದೇ SMFC ಇಲ್ಲ. ವಿದ್ಯುತ್ ಉತ್ಪಾದನೆಯಲ್ಲಿನ ಅಸಮಂಜಸತೆಯು ಪರಿಸರದ ಪರಿಸ್ಥಿತಿಗಳಲ್ಲಿನ ವ್ಯತ್ಯಾಸಗಳು, ಮಣ್ಣಿನ ತೇವಾಂಶ, ಮಣ್ಣಿನ ವಿಧಗಳು, ಮಣ್ಣಿನಲ್ಲಿ ವಾಸಿಸುವ ಸೂಕ್ಷ್ಮಜೀವಿಗಳು ಇತ್ಯಾದಿಗಳಿಗೆ ಕಾರಣವಾಗಿದೆ. ಆದರೆ ಮಣ್ಣಿನ ತೇವಾಂಶದಲ್ಲಿನ ಬದಲಾವಣೆಗಳು ವಿದ್ಯುತ್ ಉತ್ಪಾದನೆಯ ಸ್ಥಿರತೆಯ ಮೇಲೆ ಗರಿಷ್ಠ ಪರಿಣಾಮ ಬೀರುತ್ತದೆ. ಸ್ಥಿರವಾದ ವಿದ್ಯುತ್ ಉತ್ಪಾದನೆಗಾಗಿ ಜೀವಕೋಶಗಳು ಸಮರ್ಪಕವಾಗಿ ಹೈಡ್ರೀಕರಿಸಿದ ಮತ್ತು ಆಮ್ಲಜನಕಯುಕ್ತವಾಗಿ ಉಳಿಯಬೇಕು, ಇದು ಒಣ ಕೊಳಕುಗಳಲ್ಲಿ ನೆಲದಡಿಯಲ್ಲಿ ಹೂತುಹೋದಾಗ ಕಷ್ಟಕರವಾದ ಸಮಸ್ಯೆಯಾಗಿರಬಹುದು.   

ಲಂಬ ಕೋಶ ವಿನ್ಯಾಸವು ಕಾರ್ಯಕ್ಷಮತೆಯನ್ನು ಸುಧಾರಿಸುತ್ತದೆ ಮತ್ತು SMFC ಗಳನ್ನು ಮಣ್ಣಿನ ತೇವಾಂಶದಲ್ಲಿನ ಬದಲಾವಣೆಗಳಿಗೆ ಹೆಚ್ಚು ಸ್ಥಿತಿಸ್ಥಾಪಕವಾಗಿಸುತ್ತದೆ.  

ಇತ್ತೀಚಿನ ಅಧ್ಯಯನವು (ಒಂಬತ್ತು ತಿಂಗಳ SMFC ನಿಯೋಜನೆ ಡೇಟಾದೊಂದಿಗೆ 2-ವರ್ಷ-ದೀರ್ಘ ಪುನರಾವರ್ತಿತ ವಿನ್ಯಾಸ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಿರುತ್ತದೆ) ಸಾಮಾನ್ಯ ವಿನ್ಯಾಸ ಮಾರ್ಗಸೂಚಿಗಳನ್ನು ತಲುಪಲು ಸೆಲ್ ವಿನ್ಯಾಸಗಳನ್ನು ವ್ಯವಸ್ಥಿತವಾಗಿ ಪರೀಕ್ಷಿಸಿದೆ. ಸಂಶೋಧನಾ ತಂಡವು ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ಮತ್ತು ಆನೋಡ್ ಎರಡೂ ಪರಸ್ಪರ ಸಮಾನಾಂತರವಾಗಿರುವ ಸಾಂಪ್ರದಾಯಿಕ ವಿನ್ಯಾಸವನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಂತೆ ನಾಲ್ಕು ವಿಭಿನ್ನ ಆವೃತ್ತಿಗಳನ್ನು ರಚಿಸಿದೆ ಮತ್ತು ಹೋಲಿಸಿದೆ. ಇಂಧನ ಕೋಶದ ಲಂಬ ವಿನ್ಯಾಸ (ಆವೃತ್ತಿ 3: ಆನೋಡ್ ಓರಿಯೆಂಟೇಶನ್ ಹಾರಿಜಾಂಟಲ್ ಮತ್ತು ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ಓರಿಯಂಟೇಶನ್ ಪರ್ಪೆಂಡಿಕ್ಯುಲರ್) ಉತ್ತಮವಾಗಿ ಕಾರ್ಯನಿರ್ವಹಿಸುತ್ತಿದೆ ಎಂದು ಕಂಡುಬಂದಿದೆ. ಇದು ಸ್ವಲ್ಪಮಟ್ಟಿಗೆ ಶುಷ್ಕ ಸ್ಥಿತಿಗೆ ಮುಳುಗಿದ ಸ್ಥಿತಿಯ ತೇವಾಂಶದ ವ್ಯಾಪ್ತಿಯಲ್ಲಿ ಉತ್ತಮವಾಗಿ ಕಾರ್ಯನಿರ್ವಹಿಸುತ್ತದೆ.  

ಲಂಬ ವಿನ್ಯಾಸದಲ್ಲಿ, ಆನೋಡ್ (ಬ್ಯಾಕ್ಟೀರಿಯಾದಿಂದ ಬಿಡುಗಡೆಯಾಗುವ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳನ್ನು ಸೆರೆಹಿಡಿಯಲು ಇಂಗಾಲದಿಂದ ಮಾಡಲ್ಪಟ್ಟಿದೆ) ನೆಲದ ಮೇಲ್ಮೈಗೆ ಲಂಬವಾಗಿರುವ ತೇವಾಂಶವುಳ್ಳ ಮಣ್ಣಿನಲ್ಲಿ ಹೂಳಲಾಗುತ್ತದೆ, ಆದರೆ ಕ್ಯಾಥೋಡ್ (ಜಡ, ವಾಹಕ ಲೋಹದಿಂದ ಮಾಡಲ್ಪಟ್ಟಿದೆ) ಲಂಬವಾಗಿ ಆನೋಡ್‌ನ ಮೇಲೆ ಲಂಬವಾಗಿ ನೆಲದಲ್ಲಿ ಅಡ್ಡಲಾಗಿ ಇರುತ್ತದೆ. ಕಡಿಮೆಗೊಳಿಸುವ ಅರ್ಧ ಪ್ರತಿಕ್ರಿಯೆಯನ್ನು ಪೂರ್ಣಗೊಳಿಸಲು ಆಮ್ಲಜನಕವು ಸುಲಭವಾಗಿ ಲಭ್ಯವಿರುವ ಮಟ್ಟ.  

ಕೋಶವು ನೀರಿನಿಂದ ಮುಳುಗಿದಾಗ ವಿನ್ಯಾಸಕ್ಕಾಗಿ ವಿದ್ಯುತ್ ಉತ್ಪಾದನೆಯು ಅವಧಿಯುದ್ದಕ್ಕೂ ಗಮನಾರ್ಹವಾಗಿ ಹೆಚ್ಚಿತ್ತು. ಇದು ಸಂಪೂರ್ಣವಾಗಿ ನೀರೊಳಗಿನ ಸ್ಥಿತಿಯಿಂದ ಸ್ವಲ್ಪ ಒಣಗುವವರೆಗೆ (ವಾಲ್ಯೂಮ್‌ನಿಂದ 41% ನೀರು) ಉತ್ತಮವಾಗಿ ಕಾರ್ಯನಿರ್ವಹಿಸುತ್ತದೆ, ಆದಾಗ್ಯೂ ಇದು ಇನ್ನೂ ಸಕ್ರಿಯವಾಗಿರಲು ಹೆಚ್ಚಿನ 41% ವಾಲ್ಯೂಮೆಟ್ರಿಕ್ ನೀರಿನ ಅಂಶ (VWC) ಅಗತ್ಯವನ್ನು ಹೊಂದಿದೆ.  

ಈ ಅಧ್ಯಯನವು ತೇವಾಂಶ ಬದಲಾವಣೆಗಳಿಗೆ ಸ್ಥಿರತೆ ಮತ್ತು ಸ್ಥಿತಿಸ್ಥಾಪಕತ್ವವನ್ನು ಸುಧಾರಿಸುವ ಕಡೆಗೆ SMFC ಗಳ ವಿನ್ಯಾಸದ ಅಂಶಕ್ಕೆ ಸಂಬಂಧಿಸಿದ ಪ್ರಶ್ನೆಯನ್ನು ಪರಿಹರಿಸುತ್ತದೆ. ಲೇಖಕರು ಎಲ್ಲಾ ವಿನ್ಯಾಸಗಳು, ಟ್ಯುಟೋರಿಯಲ್‌ಗಳು ಮತ್ತು ಸಿಮ್ಯುಲೇಶನ್ ಪರಿಕರಗಳನ್ನು ಸಾರ್ವಜನಿಕರಿಗೆ ಬಳಸಲು ಮತ್ತು ನಿರ್ಮಿಸಲು ಬಿಡುಗಡೆ ಮಾಡಿರುವುದರಿಂದ, ಆಶಾದಾಯಕವಾಗಿ, ಇದು ಭವಿಷ್ಯದಲ್ಲಿ ನಿಖರವಾದ ಕೃಷಿಯಂತಹ ವೈವಿಧ್ಯಮಯ ಪ್ರದೇಶಗಳಲ್ಲಿ ವ್ಯಾಪಕವಾದ ಅಪ್ಲಿಕೇಶನ್‌ಗಳಿಗೆ ಅನುವಾದಿಸುತ್ತದೆ.  

*** 

ಉಲ್ಲೇಖಗಳು:  

1. ವಿಶ್ವನಾಥನ್ ಎಎಸ್, 2021. ಸೂಕ್ಷ್ಮಜೀವಿಯ ಇಂಧನ ಕೋಶಗಳು: ಆರಂಭಿಕರಿಗಾಗಿ ಸಮಗ್ರ ವಿಮರ್ಶೆ. 3 ಜೈವಿಕ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನ. 2021 ಮೇ; 11(5): 248. ಆನ್‌ಲೈನ್‌ನಲ್ಲಿ 01 ಮೇ 2021 ರಂದು ಪ್ರಕಟಿಸಲಾಗಿದೆ. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. ಹತ್ತು ಬಿ., ಇತರರು 2024. ಮಣ್ಣು-ಚಾಲಿತ ಕಂಪ್ಯೂಟಿಂಗ್: ಪ್ರಾಯೋಗಿಕ ಮಣ್ಣಿನ ಸೂಕ್ಷ್ಮಜೀವಿಯ ಇಂಧನ ಕೋಶ ವಿನ್ಯಾಸಕ್ಕೆ ಇಂಜಿನಿಯರ್ಸ್ ಗೈಡ್. ಪ್ರಕಟಿಸಲಾಗಿದೆ:12 ಜನವರಿ 2024. ಸಂವಾದಾತ್ಮಕ, ಮೊಬೈಲ್, ಧರಿಸಬಹುದಾದ ಮತ್ತು ಸರ್ವತ್ರ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನಗಳ ಮೇಲೆ ACM ನ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಗಳು. ಸಂಪುಟ 7 ಸಂಚಿಕೆ 4ಲೇಖನ ಸಂಖ್ಯೆ: 196pp 1–40. ನಾನ: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. ವಾಯುವ್ಯ ವಿಶ್ವವಿದ್ಯಾಲಯ. ಸುದ್ದಿ-ಕೊಳಕು-ಚಾಲಿತ ಇಂಧನ ಕೋಶ ಶಾಶ್ವತವಾಗಿ ಚಲಿಸುತ್ತದೆ. 12 ಜನವರಿ 2024 ರಂದು ಪೋಸ್ಟ್ ಮಾಡಲಾಗಿದೆ. ಇಲ್ಲಿ ಲಭ್ಯವಿದೆ https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***