روشنایی نواحی مرده با باتری‌های میکروبی

[ERF@N]

مهندسان دانشگاه استنفورد شیوه جدیدی را برای تولید الکتریسیته از فاضلاب با استفاده از "میکروب‌های سیمی" طبیعی به عنوان مینی‌نیروگاه‌های برق ابداع کرده‌اند که از فضولات حیوانی، برق تولید می‌کند.

دانشمندان این ابداع را «باتری میکروبی» نامیده‌اند و امیدوارند روزی برای شکستن آلاینده‌های آلی در "نواحی مرده" اقیانوس‌ها و آب‌های ساحلی از آن استفاده کنند.

در این نقاط روان‌آب کودهای شیمیایی و دیگر اتلافات آلی می‌توانند سطوح اکسیژن را تخلیه کرده و آبزیان را خفه کنند.

در حال حاضر، نمونه اولیه آزمایشگاهی محققان به اندازه یک باتری سلولی D است و مانند یک آزمایشگاه شیمی به نظر می‌رسد که دارای دو الکترود، یکی مثبت و دیگری منفی، بوده و به درون بطری از فاضلاب فرود برده می‌شود.

در درون این شیشه تیره، که به الکترود منفی متصل است، نوعی باکتری غیرمعمول از ذرات اتلافی ارگانیک تغذیه کرده و الکتریسیته‌ای تولید می‌کند که توسط الکترود مثبت باتری گیر می‌افتد.

دانشمندان مدت‌های مدیدی از وجود آنچه آن‌ها میکروب‌های exoelectrogenic می‌خوانند، آگاه بوده‌اند.

این میکروب‌ها ارگانیسم‌هایی هستند که در محیط‌های بی‌هوا تکامل یافتند و توانایی ‌نشان‌دادن واکنش به مواد معدنی اکسیدی و نه تنفس اکسیژن، را برای تبدیل مواد و غذای ارگانیک به سوخت زیستی را توسعه دادند.

طی یک دهه گذشته، چندین گروه تحقیقاتی راه‌های مختلفی را برای استفاده از این میکروب‌ها به عنوان مولدهای زیستی آزموده‌اند اما استفاده کارآمد از این انرژی چالش‌برانگیز بوده است.

آنچه در خصوص باتری میکروبی جدید است، طراحی کارآمد‌ی است که این باکتری‌های exoelectrogeni را فعال می‌کند.

در الکترود منفی باتری، کلونی‌های میکروب‌های سیمی به رشته‌های کربنی که به عنوان رساناهای الکتریکی کارآمد عمل می‌کنند، می‌چسبند.

با استفاده از میکروسکوپ الکترونی اسکن‌کننده، تیم دانشگاه استنفورد تصاویری از این میکروب‌ها را در حال اتصال پیچک‌های شیری به رشته‌های کربن گرفتند.

آن‌ها مشاهده کردند که میکروب‌ها این نانوسیم‌ها را برای تخلیه الکترون‌های اضافی‌شان به کار می‌برند.

حدود 100 عدد از این میکروب‌ها در کنار هم به اندازه عرض یک تار موی انسان هستند.

هنگامی که این میکروب‌ها ماده ارگانیک را می‌بلعند و آن را به سوخت بیولوژیکی تبدیل می‌کنند، الکترون‌های مازادشان به درون رشته‌های کربن و در عرض الکترود مثبت جاری می‌شوند.

این الکترود از اکسید نقره ساخته شده و ماده‌ای است که الکترون‌ها را جذب می‌کند.

الکترون‌هایی که به نود مثبت جاری می‌شوند، به تدریج اکسید نقره را به نقره کاهش داده و الکترون‌های اضافی را در این فرایند ذخیره می‌کنند.

پس از یک روز، الکترود مثبت بار کاملی از الکترودها را جذب کرده و تا حد زیادی به نقره تبدیل می‌شود.

در این نقطه، این الکترود از باتری حذف و دوباره به اکسید نقره بازاکسید می‌شود و الکترون‌های ذخیره‌شده را آزاد می‌کند.

مهندسان دانشگاه استنفورد تخمین می‌زنند که باتری میکروبی می‌تواند حدود 30 درصد از انرژی بالقوه قفل‌شده در فاضلاب را استخراج کند.

این روند تقریبا همان کارایی است که به آن سلول‌های خورشیدی دارای بهترین دسترسی تجاری نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند.

مهندسان مدعی‌اند بزرگ‌ترین چالش آن‌ها یافتن ماده ارزان اما کارآمد برای نود مثبت است.

آن‌ها آزمایش خود را با اکسید نقره انجام دادند اما نقره برای استفاده در مقیاس بزرگ بیش از اندازه گران است و یافتن جایگزینی برای آن نیز به زمان نیاز دارد.

جزئیات این موفقیت در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شد.