العلماء يبنون خلايا وقود ميكروبية تعمل دون قوة خارجية

برهنت المقالة وجود خلايا الوقود الثلاثية الابعاد (The 3D fuel cell) ،وليس فقط اثبات صحة مفهوم هذا الاختراع. ولكن هذا يشير الى ان البطاريات في المستقبل تكون مدعومة من قبل الميكروبات بدلًا من المعادن الارضية النادرة مثل الليثيوم.

خلايا الوقود الميكروبية تستخدم نشاط البكتيريا عمليًا لتكسير الطاقة الكيميائية (المواد الغذائية) وأنبوب الإلكترونات. حيث يمكنها تحويل الالكترونات الى طاقة كهربائية، وهذا رائع جداً. ولكن من أجل ضمان إمداد الميكروبات بشكل مستمر من المواد الغذائية، يجب ضخ المواد الغذائية بنشاط الى الميكروبيات. فأذا توقفت المواد الغذائية، توقفت الالكترونات ايضًا، كذلك لسنوات كان العلماء يستخدمون القوة الخارجية للحفاظ على خلايا الوقود الميكروبية، لغرض توليد الطاقة الكهربائية في المقام الاول.

الآن فريق من جامعة ولاية آوا (Iowa State University) خلق خلية وقود ورقية ثلاثية الابعاد تحافظ على تزويد الميكروبات المواد الغذائية تلقائيًا – في هذه الحالة، فيري سيانيد البوتاسيوم – من دون اي ضخ مطلوب. وأظهر الفريق أن خلايا الوقود الميكروبية يمكن أن تستمر بتوليد التيار الكهربائي لمدة خمسة أيام، دون أي قوة خارجية أو تدخل بشري. ”كل القوى التي تم إنشاؤها في هذا الجهاز هي صالحة للاستعمال بسبب عدم الحاجة الى الكهرباء لتشغيل السوائل عن طريق الجهاز“ حسب ما قالهُ رئيس فريق الباحثين ناستران هاشمي (Nastaran Hashemi) ”هذا أمر بالغ الأهمية في تعزيز هذه الأجهزة وتوسع تطبيقاتها.“

لفهم كيفية عمل خلايا الوقود الميكروبية الجديدة، يلزم أولًا أن نعرف كيفية عمل خلايا الوقود العادية. تمامًا كأي بطارية، هناك ثلاثة اجزاء – الانود ،والكاثود ،والسائل الالكتروليتي. فالالكترونات تدخل القطب السالب الشحنة (الكاثود) وتتجه نجو القطب الموجب الشحنة الانود. ثم تتكر جزء من الطاقة قبل ان تعود للقطب السالب. وطالما يتم تزويد البطارية بالسائل الالكتروليتي ستستمر بضخ الكهرباء.

السائل الالكتروليتي المستخدم هو نوع من البكتريا المسمى شوانيلا (Shewanella Oneidensis MR-1) والمواد الغذائية هي فيري سيانيد البوتاسيوم. ولجعل كل منهما يتدفق بأتجاه بعضها البعض، نحت الباحثون قنوات صغيرة في الورقة، وهذه توجه وتشجيع حركة المحلول لانها رقيقة جداً – هذا مشابه للشعيرات الدموية في جسمنا حيث تقوم بدفع الجسم الى الامام. فعندما يجتمعون، البكتريا تقوم بهضم فيري سيانيد البوتاسيوم وتحطيمه الى الكترونات.

في نهاية الأيام الخمسة، وأظهر الفريق ان الطبقة الحيوية قد نمت على قماش الكربون المحيط بـغشاء تبادل البروتون (PEM) – دليل على أن نشاط البكتيريا قام يتحويل فيري سيانيد البوتاسيوم الى الكترونات وقد نمى بشكل صحي. وعلى مدى الخمس ايام، النظام كان قادرًا على انشاء تيار اعظم (52.25 مايكرو آمبير و 1.3 مايكرو واط) من الطاقة من جهاز حاوي على 52.5 مايكوليتر. وبعبارة أخرى، فإن خلايا الوقود الميكروبية الورقية هذه قادرة على انتاج 25 واط من الطاقة لكل متر مكعب من البكتيريا، بأضافة الغذاء.

ليست بكفاءة كبيرة – انها بالتأكيد ليست كافية لتزويد الطاقة بشكل مكثف، مثل الهاتف الخاص بك أو جهاز الكمبيوتر.

لكنَ الباحثين استخدموا هذا الجهاز لأثبات صحة مفهوم معرفة كيفية زيادة تحسين النظام عن طريق بعض الأشياء مثل معدل التدفق، ودرجة حرارة التخزين. وسيكون عليهم تقليص ذلك الى وجعل النظام اكثر استقرارًا ،لأستخدام المنتجات الاستهلاكية كالبطاريات.

ولكن هناك أيضًا المزيد من التطبيقات المباشرة – على سبيل المثال، محطات معالجة المياه العادمة حيث يتم البحث بالفعل بأستخدام خلايا الوقود الميكروبية لمساعدتهم على توليد الكهرباء. في هذه الحالة، المياه المستعملة والمواد الغذائية للخلايا الوقود الميكروبية، تقوم بتحليل النفايات وتنقية المياه، وتوليد الكهرباء أيضًا.

المصدر: هنا