Come funzionano le celle a combustibile microbiche

Se le celle a combustibile microbiche delle piante prendono piede, piante di riso come queste potrebbero significare energia oltre che cibo. Vuoi saperne di più? Dai un'occhiata a queste immagini di veicoli a carburante alternativo. Creative Commons / midorisyu (con licenza CC BY 2.0)

Direttamente o indirettamente, quasi tutta la vita sulla Terra è alimentata dall'energia solare.

Le piante convertono la luce solare in composti organici che, se consumati da altre forme di vita, trasmettono l'energia solare al resto della rete alimentare. Come esseri umani, accediamo a questa energia immagazzinata attraverso la digestione e bruciando piante crude o lavorate. Il petrolio è solo materia organica morta da tempo trasformata da forze geologiche e i biocarburanti di prima generazione sono sgranati da mais, canna da zucchero e olio vegetale [fonte: The New York Times].

Sfortunatamente, il petrolio è pieno di problemi ambientali e di sicurezza quanto lo è l'energia, ei biocarburanti di prima generazione, che vengono raffinati bruciando altri combustibili, sono ben al di sotto della neutralità del carbonio. Peggio ancora, poiché le colture alimentari globali perdono letteralmente terreno a causa della produzione di biocarburanti, la crescente scarsità fa aumentare i prezzi del cibo, la fame e l'instabilità politica [fonte: The New York Times].

Ma se ci fosse un modo per avere il nostro riso e bruciarlo anche lui? E se potessimo ricavare energia dai raccolti senza ucciderli o generare energia utilizzando piante e terreni non necessari per il cibo, tutto grazie al potere dei microbi? Questa è l'idea alla base celle a combustibile microbiche vegetali (PMFC).

Quando si tratta di far funzionare la vita, le piante potrebbero ottenere tutta la buona stampa, ma è il microbo tanto diffamato che tiene insieme la catena alimentare. In particolare, i cianobatteri aiutano a formare la sua base; i microbi intestinali ci aiutano a digerire il cibo da esso; ei batteri del suolo trasformano i rifiuti risultanti in nutrienti che le piante possono utilizzare.

Per decenni, i ricercatori hanno cercato possibili modi per trarre energia da questo metabolismo microbico. Negli anni '70, i loro sforzi iniziarono a dare frutti sotto forma di celle a combustibile microbiche (MFC) - dispositivi che generano elettricità direttamente da una reazione chimica catalizzata da microbi [fonte: Rabaey e Verstraete]. Gli MFC offrono opzioni rinnovabili a basso consumo per il monitoraggio degli inquinanti, la pulizia e la desalinizzazione dell'acqua e l'alimentazione di sensori e strumenti remoti.

C'è un problema, ovviamente: gli MFC funzionano solo fintanto che hanno qualcosa su cui sgranocchiare - tipicamente, materiale organico nelle acque reflue [fonti: Deng, Chen e Zhao; ONR]. I ricercatori si sono resi conto che potevano consegnare quei rifiuti - un infinito buffet alimentato a energia solare - direttamente ai microbi del suolo dalle piante stesse, e il seme di un'idea è stato piantato.

Nel 2008, i ricercatori stavano pubblicando documenti che annunciavano il primo di questi MFC alimentati da impianti, e il potenziale è diventato sempre più chiaro [fonti: Deng, Chen e Zhao; De Schamphelaire et al .; Strik et al.]. Utilizzando questa tecnologia scalabile, i villaggi e le fattorie nei paesi in via di sviluppo potrebbero diventare autosufficienti, mentre le nazioni industrializzate potrebbero ridurre le loro impronte di serre attingendo energia da zone umide, serre o bioraffinerie [fonti: Doty; PlantPower].

I PMFC, in breve, sono una versione più recente e più verde delle "centrali elettriche", forse.

Contenuti

1. Non c'è posto come terriccio
2. PMFC: tutti bagnati o eccezionali nel loro campo?
3. Dal petrolio ai vomeri

Il suolo, a quanto pare, è pieno di potenziale (elettrico) non sfruttato.

Mentre le piante verdi svolgono l'attività di fotosintesi - convertendo l'energia dalla luce solare in energia chimica, quindi immagazzinandola in zuccheri come il glucosio - trasudano prodotti di scarto attraverso le loro radici in uno strato di suolo noto come rizosfera. Lì, i batteri mangiano le cellule staccate delle piante, insieme alle proteine ​​e agli zuccheri rilasciati dalle loro radici [fonte: Ingham].

In termini PMFC, ciò significa che, finché la pianta vive, i batteri hanno un buono pasto e la cella a combustibile genera energia. La prima legge della termodinamica, che alcuni traducono come "non esiste un pranzo gratis", si applica ancora perché il sistema riceve energia da una fonte esterna, vale a dire il sole.

Ma come sulla Terra, o sotto di essa, i microbi generano elettricità semplicemente consumando e metabolizzando il cibo? Come con l'amore o la cottura, tutto si riduce alla chimica.

In generale, gli MFC funzionano separando due metà di un processo elettro-biochimico (metabolismo) e collegandole insieme in un circuito elettrico. Per capire come, esaminiamo in dettaglio il metabolismo cellulare.

Nell'esempio del libro di testo che segue, il glucosio e l'ossigeno reagiscono producendo anidride carbonica e acqua [fonti: Bennetto; Rabaey e Verstraete].

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6C_O2 + 6H₂O

Ma all'interno delle singole cellule - o di organismi unicellulari come i batteri - questa affermazione ampia sorvola su una serie di passaggi intermedi. Alcuni di questi passaggi rilasciano temporaneamente elettroni che, come tutti sappiamo, sono utili per generare elettricità. Quindi, invece di glucosio e ossigeno che reagiscono per produrre anidride carbonica e acqua, qui glucosio e acqua producono anidride carbonica, protoni (ioni idrogeno caricati positivamente (H⁺)) ed elettroni (e^-) [fonti: Bennetto; Rabaey e Verstraete].

C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 6CO₂ + 24 ore⁺ + 24e^-

In un PMFC, questa metà del processo definisce metà della cella a combustibile. Questa porzione si trova nella rizosfera con le radici delle piante, i rifiuti e i batteri. L'altra metà della cellula si trova in acqua ricca di ossigeno sul lato opposto di una membrana permeabile. In ambiente naturale questa membrana è formata dal confine suolo-acqua [sorgenti: Bennetto; Rabaey e Verstraete; Deng, Chen e Zhao].

Nella seconda metà della cellula, protoni ed elettroni liberi si combinano con l'ossigeno per produrre acqua, in questo modo:

6O₂ + 24 ore⁺ + 24e^- → 12H₂O

I protoni raggiungono questa seconda metà scorrendo attraverso la membrana a scambio ionico, creando una carica positiva netta e un potenziale elettrico che induce gli elettroni a fluire lungo il filo di collegamento esterno. Ecco! Corrente elettrica [sorgenti: Bennetto; Rabaey e Verstraete; Deng, Chen e Zhao].

Ma quanto?

Eliminare potenziali problemi

La determinazione dell'impatto ambientale dei PMFC richiederà ulteriori ricerche in una varietà di aree, incluso il modo in cui gli elettrodi influenzano l'ambiente delle radici. Potrebbero potenzialmente ridurre la disponibilità di nutrienti, ad esempio, o ridurre la capacità di una pianta di combattere l'infezione [fonte: Deng, Chen e Zhao].

Inoltre, poiché funzionano meglio in alcune delle nostre terre più protette - zone umide e coltivate - le PMFC potrebbero dover affrontare un processo di approvazione ambientale molto impegnativo. D'altra parte, gli MFC delle acque reflue possono ossidare l'ammonio e ridurre i nitrati, quindi è possibile che gli MFC di origine vegetale possano bilanciare il rischio proteggendo le zone umide dal deflusso agricolo [fonti: Deng, Chen e Zhao; Mugnaio; Tweed].

A partire dal 2012, i PMFC non producono molta energia e funzionano solo in ambienti acquatici, con piante come il reed mannagrass (Glyceria maxima), riso, cordgrass comune (Spartina anglica) e canna gigante (Arundo donax) [fonti: Deng, Chen e Zhao; PlantPower]. Se ti imbattessi in un campo di PMFC, come l'area sul tetto dell'Istituto olandese di ecologia di Wageningen, non avresti mai saputo che era qualcosa di più di una raccolta di piante, tranne che per i fili colorati che uscivano dal suolo [fonte: Williams].

Tuttavia, le loro potenziali applicazioni nell'affrontare altri problemi di sostenibilità globale, incluso il ceppo posto dai biocarburanti su un sistema di approvvigionamento alimentare globale già sovraccarico, continua a ispirare i ricercatori e almeno un'impresa esplorativa, il progetto PlantPower da 5,23 milioni di euro [fonti: Deng , Chen e Zhao; PlantPower; Tenenbaum].

Poiché i PMFC lavorano già su piante acquatiche, agricoltori e villaggi non hanno bisogno di scaricare le loro colture di riso a base acquosa per implementarle. Su scala più ampia, le comunità potrebbero creare PMFC in zone umide o aree di scarsa qualità del suolo, evitando la competizione terrestre tra energia e produzione alimentare [fonte: Strik et al.]. Gli ambienti industriali come le serre potrebbero produrre energia durante tutto l'anno, ma la produzione di elettricità nei terreni agricoli dipenderà dalla stagione di crescita [fonte: PlantPower].

Produrre più energia a livello locale potrebbe ridurre le emissioni di anidride carbonica riducendo la domanda di trasporto di carburante, di per sé uno dei principali contributori di gas serra. Ma c'è un problema, ed è piuttosto significativo: anche se i PMFC diventano il più efficienti possibile, devono comunque affrontare un collo di bottiglia: l'efficienza fotosintetica e la produzione di rifiuti dell'impianto stesso.

Le piante sono sorprendentemente inefficienti nel trasformare l'energia solare in biomassa. Questo limite di conversione deriva in parte da fattori quantistici che influenzano la fotosintesi e in parte dal fatto che i cloroplasti assorbono la luce solo nella banda di 400-700 nanometri, che rappresenta circa il 45% della radiazione solare in entrata [fonte: Miyamoto].

I due tipi più diffusi di piante fotosintetizzanti sulla Terra sono conosciuti come C3 e C4, così chiamati a causa del numero di atomi di carbonio nelle prime molecole che formano durante la CO₂ ripartizione [fonti: Seegren, Cowcer e Romeo; SERC]. Il limite di conversione teorico per le piante C3, che costituiscono il 95% delle piante sulla Terra, compresi gli alberi, supera solo il 4,6%, mentre le piante C4 come la canna da zucchero e il mais si avvicinano al 6%. In pratica, tuttavia, ciascuno di questi tipi di piante raggiunge generalmente solo il 70 percento di questi valori [fonti: Deng, Chen e Zhao; Miyamoto; SERC].

Con i PMFC, come con qualsiasi macchina, si perde un po 'di energia nell'esecuzione dei lavori o, in questo caso, nella crescita dell'impianto. Della biomassa costruita dalla fotosintesi, solo il 20 percento raggiunge la rizosfera e solo il 30 percento di quella diventa disponibile per i microbi come cibo [fonte: Deng, Chen e Zhao].

I PMFC recuperano circa il 9% dell'energia dal risultante metabolismo microbico sotto forma di elettricità. Complessivamente, ciò equivale a un tasso di conversione solare-elettrico PMFC che si avvicina allo 0,017% per gli impianti C3 ((70% del tasso di conversione del 4,6%) x 20% x 30% x 9%) e allo 0,022% per gli impianti C4 (0,70 x 6,0 x 0,20 x 0,30 x 0,09) [fonti: Deng, Chen e Zhao; Miyamoto; SERC].

In effetti, alcuni ricercatori ritengono che tali ipotesi possano sottostimare il potenziale dei PMFC, che può essere solo una buona notizia per i consumatori.

È idromatico

L'interesse per le celle a combustibile, che consentono alle auto di coprire più miglia rispetto alla sola alimentazione a batteria e sono più facilmente implementabili nei veicoli di grandi dimensioni, ha continuato a crescere a partire dal novembre 2012 [fonte: Ko]. Ma, mentre il carburante a idrogeno potrebbe sembrare ecologico, la sua produzione richiede un sacco di elettricità, il che lo rende tutt'altro che a emissioni zero [fonte: Wüst]. I PMFC, che producono naturalmente idrogeno gassoso, potrebbero offrire speranza per una produzione di idrogeno veramente verde.

Stai guardando due diversi progetti per i PMFC, entrambi posizionati su un tetto a Wageningen, nei Paesi Bassi. Immagine per gentile concessione di Marjolein Helder / Plant-e

Come ogni nuova tecnologia, i PMFC devono affrontare una serie di sfide; ad esempio, hanno bisogno di un substrato che favorisca contemporaneamente la crescita delle piante e il trasferimento di energia, due obiettivi che a volte sono in contrasto. Le differenze di pH tra le due metà delle cellule, ad esempio, possono causare la perdita di potenziale elettrico, poiché gli ioni "brevi" attraverso la membrana per raggiungere l'equilibrio chimico [fonte: Helder et al.].

Se gli ingegneri riescono a risolvere i nodi, tuttavia, i PMFC potrebbero contenere un potenziale vasto e vario. Tutto si riduce a quanta energia possono produrre. Secondo una stima del 2008, quel numero magico si aggira intorno ai 21 gigajoule (5.800 kilowattora) per ettaro (2,5 acri) ogni anno [fonte: Strik et al.]. Ricerche più recenti hanno stimato che il numero potrebbe raggiungere i 1.000 gigajoule per ettaro [fonte: Strik et al.]. Qualche altro dato di prospettiva [fonti: BP; Commissione europea]:

• Un barile di petrolio contiene circa 6 gigajoule di energia chimica.
• L'Europa ospita 13,7 milioni di agricoltori, con ogni azienda agricola in media 12 ettari (29,6 acri).
• In confronto, l'America ha 2 milioni di agricoltori che hanno in media 180 ettari (444,6 acri) ciascuno.

Sulla base di questi numeri, se l'1 percento dei terreni agricoli statunitensi ed europei fosse convertito in PMFC, si otterrebbe una stima arretrata di 34,5 milioni di gigajoule (9,58 miliardi di kilowattora) all'anno per l'Europa e 75,6 milioni di gigajoule (20,9 miliardi di chilowattora) all'anno per l'America.

In confronto, i 27 paesi dell'Unione Europea nel 2010 hanno consumato 1.759 milioni tonnellate equivalenti di petrolio (TEP) in energia, o 74,2 miliardi di gigajoule (20,5 trilioni di kilowattora). TEP è un'unità standardizzata di confronto internazionale, pari all'energia contenuta in una tonnellata di petrolio [fonti: Commissione Europea; Università].

In questo scenario semplificato, i PMFC forniscono una caduta in un secchio energetico molto grande, ma è una goccia priva di inquinamento e una goccia generata da paesaggi lussureggianti invece di centrali elettriche eruttanti di fumo o parchi eolici che distruggono uccelli.

Inoltre, è solo l'inizio. I ricercatori stanno già lavorando su batteri più efficienti che assorbono i rifiuti e, tra il 2008 e il 2012, i progressi nella chimica dei substrati hanno più che raddoppiato la produzione elettrica in alcuni PMFC. PlantPower sostiene che, una volta perfezionati, i PMFC potrebbero fornire fino al 20% di quelli europei energia primaria -- cioè energia derivata da risorse naturali non trasformate [fonte: Øvergaard; PlantPower].

I PMFC devono diventare più economici ed efficienti prima di poter godere di un'ampia implementazione, ma sono in corso progressi. Già molti MFC risparmiano denaro producendo elettrodi in tessuto di carbonio altamente conduttivo piuttosto che metalli preziosi o costosi feltri di grafite [fonti: Deng, Chen e Zhao; Tweed]. A partire dal 2012, è costato $ 70 per gestire una configurazione da un metro cubo in condizioni di laboratorio.

Se si considera il loro potenziale per rimuovere gli inquinanti e ridurre i gas serra, chi lo sa? I PMFC potrebbero raccogliere abbastanza investitori e interessi governativi da diventare le centrali elettriche del futuro - o piantare il seme per un'idea ancora migliore [fonte: Deng, Chen e Zhao].

Nota degli autori: come funzionano le celle a combustibile microbiche vegetali

Se ci pensate, costruire una batteria in grado di scaricare i processi digestivi batterici ci porta un passo avanti verso i cyborg e le macchine autoalimentate. Il corpo umano fa affidamento sui batteri intestinali per convertire il cibo in energia; se potessimo attingere a questo processo per spremere le celle a combustibile, allora potremmo anche alimentare gli impianti corporei, come i pacemaker.

I ricercatori della Harvard Medical School e del Massachusetts Institute of Technology hanno già offuscato questa linea, costruendo un chip cerebrale alimentato dal glucosio, che raccoglie dal liquido cerebrospinale ricircolato [fonte: Rapoport, Kedzierski e Sarpeshkar]. I cyberbrains possono essere molto indietro? (Beh, sì, probabilmente).

Immagina: potremmo costruire macchine che pascolano! OK, potrebbe non sembrare così sexy come i cannoni a raggi e le navi a razzo, ma tali macchine potrebbero rimanere attive sul campo a tempo indefinito senza bisogno di una ricarica o di nuove batterie. Una raccolta di MFC potrebbe formare un intestino improvvisato, attingendo elettricità dal glucosio vegetale.

Se qualcuno dovesse perseguire questa idea, spero che impiegherà PMFC. Immagino branchi di robot in ceramica bianca coperti Salvia hispanica, e io pongo la domanda:

Gli androidi sognano i Chia Pets elettrici?

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fonti

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