Direkt eller indirekt är nästan allt liv på jorden soldrivet.
Växter omvandlar solljus till organiska föreningar som, när de konsumeras av annat liv, överför solens energi till resten av näringsväven. Som människor får vi tillgång till denna lagrade energi genom matsmältning och genom att bränna råa eller bearbetade växter. Petroleum är bara sedan länge dött organiskt material som omvandlats av geologiska krafter, och första generationens biobränslen rensas upp från majs, sockerrör och vegetabilisk olja [källa:The New York Times].
Olyckligtvis är petroleum lika packat med miljö- och säkerhetsproblem som det är energi, och första generationens biobränslen – som förädlas genom att bränna andra bränslen – är långt ifrån koldioxidneutralitet. Ännu värre, eftersom globala matgrödor bokstavligen tappar mark till produktion av biobränsle, ökar den ökande bristen matpriserna, hungern och den politiska instabiliteten [källa:The New York Times].
Men tänk om det fanns ett sätt att få vårt ris och bränna det också? Tänk om vi kunde hämta energi från grödor utan att döda dem, eller generera kraft med växter och mark som inte behövs för mat, allt genom mikrobernas kraft? Det är tanken bakom växt-mikrobiella bränsleceller (PMFC ).
När det gäller att få livet att fungera kan växter få all den goda pressen, men det är den mycket elakade mikroben som håller ihop näringskedjan. Specifikt hjälper cyanobakterier att bilda dess bas; tarmmikrober hjälper oss att smälta mat från den; och jordbakterier förvandlar det resulterande avfallet till näringsämnen som växter kan använda.
I decennier har forskare grävt runt efter möjliga sätt att hämta kraft från denna mikrobiella metabolism. På 1970-talet började deras ansträngningar bära frukt i form av mikrobiella bränsleceller (MFC:er ) - enheter som genererar elektricitet direkt från en kemisk reaktion katalyserad av mikrober [källa:Rabaey och Verstraete]. MFC:er erbjuder förnybara, lågeffektalternativ för övervakning av föroreningar, rengöring och avsaltning av vatten och försörjning av fjärrsensorer och instrument.
Det finns en hake, naturligtvis:MFC fungerar bara så länge de har något att nosh på - vanligtvis organiskt material i avloppsvattnet [källor:Deng, Chen och Zhao; ONR]. Forskare insåg att de kunde leverera det avfallet - en oändlig, soldriven buffé av det - direkt till jordmikrober från växterna själva, och fröet till en idé såddes.
År 2008 publicerade forskare tidningar som tillkännagav den första av dessa anläggningsdrivna MFC:er, och potentialen blev allt tydligare [källor:Deng, Chen och Zhao; De Schamphelaire et al.; Strik et al.]. Genom att använda denna skalbara teknik kan byar och gårdar i utvecklingsländer bli självförsörjande, medan industrialiserade länder kan minska sina växthusavtryck genom att dra kraft från våtmarker, växthus eller bioraffinaderier [källor:Doty; PlantPower].
PMFC, kort sagt, är en nyare, grönare spin på "kraftverk" -- kanske.
Innehåll
Jorden, som det visar sig, är full av outnyttjad (elektrisk) potential.
När gröna växter arbetar med fotosyntes – omvandlar energi från solljus till kemisk energi och sedan lagrar den i sockerarter som glukos – utsöndrar de avfallsprodukter genom sina rötter till ett jordlager som kallas rhizosfären . Där äter bakterier ner sig på växternas avskalade celler, tillsammans med proteiner och sockerarter som frigörs av deras rötter [källa:Ingham].
I PMFC-termer betyder det att så länge växten lever har bakterierna en måltidsbiljett och bränslecellen genererar kraft. Termodynamikens första lag, som vissa översätter som "det finns inget sådant som en gratis lunch", gäller fortfarande eftersom systemet tar emot energi från en extern källa, nämligen solen.
Men hur i hela friden, eller under den, genererar mikrober elektricitet helt enkelt genom att konsumera och metabolisera mat? Precis som med kärlek eller bakning handlar allt om kemi.
I stort sett fungerar MFC:er genom att separera två halvor av en elektrobiokemisk process (metabolism) och koppla ihop dem till en elektrisk krets. För att förstå hur, låt oss titta på cellmetabolism i detalj.
I läroboksexemplet som följer reagerar glukos och syre för att producera koldioxid och vatten [källor:Bennetto; Rabaey och Verstraete].
C6 H12 O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2 O
Men inom individuella celler - eller encelliga organismer som bakterier - detta breda uttalande glansar över en rad mellanliggande steg. Vissa av dessa steg frigör tillfälligt elektroner som, som vi alla vet, är praktiska för att generera elektricitet. Så istället för att glukos och syre reagerar för att producera koldioxid och vatten, här producerar glukos och vatten koldioxid, protoner (positivt laddade vätejoner (H + )) och elektroner (e - ) [källor:Bennetto; Rabaey och Verstraete].
C6 H12 O6 + 6H2 O → 6CO2 + 24H + + 24e -
I en PMFC definierar denna halva av processen ena halvan av bränslecellen. Denna del är belägen i rhizosfären med växtrötter, avfall och bakterier. Den andra halvan av cellen ligger i syrerikt vatten på motsatt sida av ett permeabelt membran. I en naturlig miljö bildas detta membran av jord-vattengränsen [källor:Bennetto; Rabaey och Verstraete; Deng, Chen och Zhao].
I den andra halvan av cellen kombineras fria protoner och elektroner med syre för att producera vatten, som så:
6O2 + 24H + + 24e - → 12H2 O
Protoner når denna andra halva genom att strömma över jonbytarmembranet, vilket skapar en positiv nettoladdning - och en elektrisk potential som inducerar elektroner att flöda längs den externa anslutningstråden. Voila! Elektrisk ström [källor:Bennetto; Rabaey och Verstraete; Deng, Chen och Zhao].
Men hur mycket?
Rota ut potentiella problemAtt fastställa PMFC:s miljöpåverkan kommer att kräva ytterligare forskning inom en mängd olika områden, inklusive hur elektroder påverkar rotmiljön. De kan potentiellt minska näringstillgängligheten, till exempel, eller minska en växts förmåga att bekämpa infektion [källa:Deng, Chen och Zhao].
Dessutom, eftersom de fungerar bäst i några av våra mest skyddade områden - våtmarker och odlingsmarker - kan PMFC:er möta en brant miljögodkännandeprocess. Å andra sidan kan MFC:er av avloppsvatten oxidera ammonium och minska nitrater, så det är möjligt att växtbaserade MFC:er kan balansera risken genom att skydda våtmarker från jordbruksavrinning [källor:Deng, Chen och Zhao; Mjölnare; Tweed].
Läs mer>
Från och med 2012 producerar PMFC inte mycket energi och fungerar bara i vattenmiljöer, med växter som vassmannagräs (Glyceria maxima ), ris, vanligt snörgräs (Spartina anglica ) och jättevass (Arundo donax ) [källor:Deng, Chen och Zhao; PlantPower]. Om du stötte på ett fält med PMFC, som taklappen vid det nederländska ekologiska institutet i Wageningen, skulle du aldrig veta att det var något mer än en samling växter, förutom de färgglada ledningarna som släpar ut från jorden [källa:Williams].
Ändå fortsätter deras potentiella tillämpningar för att ta itu med andra globala hållbarhetsproblem, inklusive belastningen från biobränslen på ett redan överbelastat globalt livsmedelsförsörjningssystem, att inspirera forskare och åtminstone en undersökande satsning, 5,23 miljoner euro-projektet PlantPower [källor:Deng , Chen och Zhao; PlantPower; Tenenbaum].
Eftersom PMFC redan fungerar på vattenväxter behöver bönder och byar inte dumpa sina vattenbaserade risgrödor för att kunna implementera dem. I större skala kan samhällen sätta upp PMFC i våtmarker eller områden med dålig jordkvalitet, och undvika markkonkurrens mellan energi och livsmedelsproduktion [källa:Strik et al.]. Tillverkade miljöer som växthus skulle kunna producera energi under hela året, men elproduktion från jordbruksmark skulle bero på tillväxtsäsongen [källa:PlantPower].
Att producera mer energi lokalt skulle kunna sänka koldioxidutsläppen genom att minska efterfrågan på bränsletransporter - i sig en stor bidragsgivare till växthusgaser. Men det finns en hake, och den är ganska betydande:Även om PMFC blir så effektiva som möjligt, står de fortfarande inför en flaskhals – fotosynteseffektiviteten och avfallsproduktionen av själva anläggningen.
Växter är förvånansvärt ineffektiva när det gäller att omvandla solenergi till biomassa. Denna omvandlingsgräns härrör dels från kvantfaktorer som påverkar fotosyntesen och dels från det faktum att kloroplaster endast absorberar ljus i bandet 400-700 nanometer, vilket står för cirka 45 procent av inkommande solstrålning [källa:Miyamoto].
De två vanligaste typerna av fotosyntetiserande växter på jorden är kända som C3 och C4, så namngivna på grund av antalet kolatomer i de första molekylerna de bildar under CO2 sammanbrott [källor:Seegren, Cowcer och Romeo; SERC]. Den teoretiska omvandlingsgränsen för C3-växter, som utgör 95 procent av växterna på jorden, inklusive träd, toppar på bara 4,6 procent, medan C4-växter som sockerrör och majs klättrar närmare 6 procent. I praktiken uppnår dock var och en av dessa växttyper i allmänhet endast 70 procent av dessa värden [källor:Deng, Chen och Zhao; Miyamoto; SERC].
Med PMFC, som med alla maskiner, går en del energi förlorad vid driften av verket - eller, i det här fallet, vid odling av växten. Av biomassan som byggs av fotosyntes når bara 20 procent till rhizosfären, och endast 30 procent av det blir tillgängligt för mikrober som mat [källa:Deng, Chen och Zhao].
PMFC:er återvinner cirka 9 procent av energin från den resulterande mikrobiella metabolismen som elektricitet. Sammantaget motsvarar det en PMFC sol-till-elektrisk omvandlingshastighet som närmar sig 0,017 procent för C3-anläggningar ((70 procent av 4,6 procents omvandlingsfrekvens) x 20 procent x 30 procent x 9 procent) och 0,022 procent för C4-anläggningar (0,70 x 6,0 x 0,20 x 0,30 x 0,09) [källor:Deng, Chen och Zhao; Miyamoto; SERC].
Faktum är att vissa forskare tror att dessa antaganden kan underskatta potentialen hos PMFC, vilket bara kan vara goda nyheter för konsumenterna.
Det är HydromaticIntresset för bränsleceller, som gör det möjligt för bilar att täcka fler mil än bara batterikraft och är lättare att implementera i stora fordon, fortsatte att öka från och med november 2012 [källa:Ko]. Men även om vätebränsle kan verka grönaktigt, kräver dess produktion massor av el, vilket gör det allt annat än kolneutralt [källa:Wüst]. PMFC, som naturligt producerar vätgas, skulle kunna ge hopp om en verkligt grön vätgasproduktion.
Liksom all ny teknik står PMFC:er inför ett antal utmaningar; till exempel behöver de ett substrat som samtidigt gynnar växttillväxt och energiöverföring - två mål som ibland är motstridiga. Skillnader i pH mellan de två cellhalvorna, till exempel, kan orsaka förlust av elektrisk potential, eftersom joner "kortar" över membranet för att uppnå kemisk balans [källa:Helder et al.].
Om ingenjörer kan lösa problem, kan PMFC dock ha både stor och varierad potential. Allt beror på hur mycket energi de kan producera. Enligt en uppskattning från 2008 kommer det magiska talet in på cirka 21 gigajoule (5 800 kilowattimmar) per hektar (2,5 tunnland) varje år [källa:Strik et al.]. Nyare forskning har uppskattat att antalet kan gå så högt 1 000 gigajoule per hektar [källa:Strik et al.]. Lite mer fakta för perspektiv [källor:BP; Europeiska kommissionen]:
Baserat på dessa siffror, om 1 procent av amerikanska och europeiska jordbruksmarker omvandlades till PMFC, skulle de ge en back-of-the-envelope-uppskattning på 34,5 miljoner gigajoule (9,58 miljarder kilowattimmar) årligen för Europa och 75,6 miljoner gigajoule (20,9) miljarder kilowattimmar) årligen för Amerika.
Som jämförelse förbrukade de 27 EU-länderna 2010 1 759 miljoner ton oljeekvivalenter (TOE) i energi, eller 74,2 miljarder gigajoule (20,5 biljoner kilowattimmar). TOE är en standardiserad enhet för internationell jämförelse, lika med energin som finns i ett ton petroleum [källor:Europeiska kommissionen; Universcience].
I detta förenklade scenario ger PMFC en droppe i en mycket stor energihink, men det är en föroreningsfri droppe och en droppe som genereras från frodiga landskap istället för rökande kraftverk eller fågelkrossande vindkraftsparker.
Dessutom är det bara början. Forskare arbetar redan med effektivare avfallsslukarbakterier och mellan 2008 och 2012 mer än fördubblade framsteg inom substratkemin elproduktionen i vissa PMFC. PlantPower hävdar att, när de väl är fulländade, kan PMFC tillhandahålla så mycket som 20 procent av Europas primärenergi - det vill säga energi som härrör från oförvandlade naturresurser [källa:Øvergaard; PlantPower].
PMFC måste bli billigare och effektivare innan de kan åtnjuta bred implementering, men framsteg är på väg. Redan många MFC:er sparar pengar genom att tillverka elektroder från starkt ledande koltyg snarare än ädelmetaller eller dyr grafitfilt [källor:Deng, Chen och Zhao; Tweed]. Från och med 2012 kostade det 70 USD att driva en en kubikmeter installation under laboratorieförhållanden.
När man tänker på deras potential för att ta bort föroreningar och för att minska växthusgaser, vem vet? PMFC:er kan få tillräckligt med investerare och statligt intresse för att bli framtidens kraftverk - eller plantera fröet till en ännu bättre idé [källa:Deng, Chen och Zhao].
Om du tänker efter, att bygga ett batteri som kan ta slut från bakteriella matsmältningsprocesser tar oss ett steg närmare cyborgs och självdrivna maskiner. Människokroppen är beroende av tarmbakterier för att omvandla mat till energi; om vi kunde utnyttja den här processen för att juice bränsleceller, då skulle vi också kunna driva kroppsimplantat, såsom pacemakers.
Forskare vid Harvard Medical School och Massachusetts Institute of Technology har redan suddat ut denna linje och konstruerat ett hjärnchip som drivs av glukos, som det skördar från recirkulerad cerebrospinalvätska [källa:Rapoport, Kedzierski och Sarpeshkar]. Kan cyberhjärnor ligga långt efter? (Tja, ja, förmodligen).
Tänk dig bara:Vi skulle kunna bygga maskiner som betar! OK, det kanske inte låter lika sexigt som ray guns och raketskepp, men sådana maskiner kan förbli aktiva på fältet på obestämd tid utan behov av uppladdning eller nya batterier. En samling MFC:er kan bilda en provisorisk tarm som drar elektricitet från växtglukos.
Skulle någon fullfölja denna idé hoppas jag att de kommer att anställa PMFC. Jag föreställer mig flockar av vita keramiska robotar täckta av Salvia hispanica , och jag ställer frågan:
Drömmer androider om elektriska Chia-husdjur?
