Přímo nebo nepřímo je téměř veškerý život na Zemi poháněn solární energií.
Rostliny přeměňují sluneční záření na organické sloučeniny, které, když jsou spotřebovány jiným životem, předávají sluneční energii zbytku potravní sítě. Jako lidé k této uložené energii přistupujeme trávením a spalováním syrových nebo zpracovaných rostlin. Ropa je jen dávno mrtvá organická hmota přeměněná geologickými silami a biopaliva první generace se vyzrňují z kukuřice, cukrové třtiny a rostlinného oleje [zdroj:The New York Times].
Naneštěstí je ropa plná ekologických a bezpečnostních problémů stejně jako energie a biopaliva první generace – která se rafinují spalováním jiných paliv – zdaleka nedosahují uhlíkové neutrality. Horší je, že globální potravinářské plodiny doslova ztrácejí půdu pod nohama ve prospěch výroby biopaliv, rostoucí nedostatek zvyšuje ceny potravin, hlad a politickou nestabilitu [zdroj:The New York Times].
Ale co kdyby existoval způsob, jak mít naši rýži a také ji spálit? Co kdybychom mohli získávat energii z plodin, aniž bychom je zabíjeli, nebo vyrábět elektřinu pomocí rostlin a půdy nepotřebné k jídlu, a to vše pomocí síly mikrobů? To je myšlenka za rostlinno-mikrobiálními palivovými články (PMFC ).
Pokud jde o to, aby život fungoval, rostliny by mohly získat všechny dobré výsledky, ale je to velmi zlomyslný mikrob, který drží potravní řetězec pohromadě. Konkrétně sinice pomáhají tvořit jeho základ; střevní mikrobi nám z něj pomáhají trávit potravu; a půdní bakterie přeměňují výsledný odpad na živiny, které mohou rostliny využít.
Po desetiletí výzkumníci hledali možné způsoby, jak čerpat energii z tohoto mikrobiálního metabolismu. V 70. letech začalo jejich úsilí přinášet ovoce v podobě mikrobiálních palivových článků (MFC ) -- zařízení, která vyrábějí elektřinu přímo z chemické reakce katalyzované mikroby [zdroj:Rabaey a Verstraete]. MFC nabízejí obnovitelné možnosti s nízkou spotřebou pro monitorování znečišťujících látek, čištění a odsolování vody a napájení vzdálených senzorů a přístrojů.
Má to samozřejmě háček:MFC fungují pouze tak dlouho, dokud mají na čem koupat -- typicky organický materiál v odpadní vodě [zdroje:Deng, Chen a Zhao; ONR]. Výzkumníci si uvědomili, že mohou tento odpad – jeho nekonečný, solárně poháněný bujón – dopravit přímo k půdním mikrobům ze samotných rostlin, a semínko nápadu bylo zasazeno.
V roce 2008 výzkumníci publikovali články oznamující první z těchto rostlinných MFC a potenciál byl stále jasnější [zdroje:Deng, Chen a Zhao; De Schamphelaire a kol.; Strik a kol.]. Pomocí této škálovatelné technologie by se vesnice a farmy v rozvojových zemích mohly stát soběstačnými, zatímco průmyslové země by mohly snížit svou skleníkovou stopu čerpáním energie z mokřadů, skleníků nebo biorafinerií [zdroje:Doty; PlantPower].
PMFC, stručně řečeno, jsou novější, ekologičtější rotace „elektráren“ – možná.
Obsah
Půda, jak se ukazuje, je plná nevyužitého (elektrického) potenciálu.
Zelené rostliny se zabývají fotosyntézou – přeměňují energii ze slunečního světla na chemickou energii a poté ji ukládají do cukrů, jako je glukóza –, vylučují odpadní produkty svými kořeny do půdní vrstvy známé jako rhizosféra . Bakterie tam žírají odloučené buňky rostlin spolu s proteiny a cukry, které uvolňují jejich kořeny [zdroj:Ingham].
Z hlediska PMFC to znamená, že dokud rostlina žije, bakterie mají stravenku a palivový článek vyrábí energii. První zákon termodynamiky, který někteří překládají jako „neexistuje nic takového jako oběd zdarma“, stále platí, protože systém přijímá energii z vnějšího zdroje, konkrétně ze slunce.
Ale jak proboha, nebo pod ní, mikrobi vyrábějí elektřinu jednoduše tím, že konzumují a metabolizují jídlo? Stejně jako v případě lásky nebo pečení, vše závisí na chemii.
Obecně řečeno, MFC fungují tak, že oddělují dvě poloviny elektro-biochemického procesu (metabolismu) a spojují je dohromady do elektrického obvodu. Abychom pochopili jak, podívejme se podrobně na buněčný metabolismus.
V učebnicovém příkladu, který následuje, glukóza a kyslík reagují za vzniku oxidu uhličitého a vody [zdroje:Bennetto; Rabaey a Verstraete].
C6 H12 O6 + 6O2 → 6CO2 + 6 h2 O
Ale v rámci jednotlivých buněk – nebo jednobuněčných organismů, jako jsou bakterie – toto široké tvrzení překrývá řadu mezikroků. Některé z těchto kroků dočasně uvolňují elektrony, které, jak všichni víme, jsou užitečné pro výrobu elektřiny. Takže místo reakce glukózy a kyslíku za vzniku oxidu uhličitého a vody zde glukóza a voda produkují oxid uhličitý, protony (kladně nabité vodíkové ionty (H + )) a elektrony (e - ) [zdroje:Bennetto; Rabaey a Verstraete].
C6 H12 O6 + 6 h2 O → 6CO2 + 24 h + + 24e -
V PMFC tato polovina procesu definuje polovinu palivového článku. Tato část se nachází v rhizosféře s kořeny rostlin, odpadem a bakteriemi. Druhá polovina buňky leží ve vodě bohaté na kyslík na opačné straně propustné membrány. V přirozeném prostředí je tato membrána tvořena hranicí půdy a vody [zdroje:Bennetto; Rabaey a Verstraete; Deng, Chen a Zhao].
V druhé polovině buňky se volné protony a elektrony spojují s kyslíkem za vzniku vody, podobně:
6O2 + 24 h + + 24e - → 12H2 O
Protony dosáhnou této druhé poloviny prouděním přes iontoměničovou membránu, čímž se vytvoří čistý kladný náboj - a elektrický potenciál, který přiměje elektrony, aby proudily podél vnějšího spojovacího drátu. Voila! Elektrický proud [zdroje:Bennetto; Rabaey a Verstraete; Deng, Chen a Zhao].
Ale kolik?
Vykořenění potenciálních problémůUrčení vlivu PMFC na životní prostředí bude vyžadovat další výzkum v různých oblastech, včetně toho, jak elektrody ovlivňují kořenové prostředí. Mohly by například potenciálně snížit dostupnost živin nebo snížit schopnost rostliny bránit se infekci [zdroj:Deng, Chen a Zhao].
Navíc, protože PMFC fungují nejlépe v některých z našich nejchráněnějších zemí – mokřadech a orné půdě – mohou čelit strmému environmentálnímu schvalovacímu procesu. Na druhou stranu MFC z odpadních vod mohou oxidovat amonium a redukovat dusičnany, takže je možné, že MFC na rostlinné bázi by mohly vyvážit riziko tím, že budou chránit mokřady před zemědělským odtokem [zdroje:Deng, Chen a Zhao; Mlynář; Tweed].
Přečtěte si více>
Od roku 2012 PMFC neprodukují mnoho energie a fungují pouze ve vodním prostředí s rostlinami, jako je mannagras rákosový (Glyceria maxima ), rýže, šnek obecný (Spartina anglica ) a obří rákos (Arundo donax ) [zdroje:Deng, Chen a Zhao; PlantPower]. Pokud byste běželi přes pole PMFC, jako je střešní náplast v Nizozemském ekologickém institutu ve Wageningenu, nikdy byste nevěděli, že jde o něco víc než sbírku rostlin, kromě barevných drátů vystupujících z půdy [zdroj:Williams].
Přesto jejich potenciální aplikace při řešení dalších globálních problémů udržitelnosti, včetně zátěže, kterou biopaliva vyvíjejí na již tak přetížený globální systém dodávek potravin, nadále inspirují výzkumníky a alespoň jeden průzkumný podnik, projekt PlantPower v hodnotě 5,23 milionů eur [zdroj:Deng , Chen a Zhao; PlantPower; Tenenbaum].
Vzhledem k tomu, že PMFC již fungují na vodních rostlinách, farmáři a vesnice nemusí vyhazovat své plodiny rýže na vodní bázi, aby je mohli implementovat. Ve větším měřítku by komunity mohly zakládat PMFC v mokřadech nebo v oblastech se špatnou kvalitou půdy, čímž by se zabránilo konkurenci na půdě mezi výrobou energie a potravin [zdroj:Strik et al.]. Vyráběná zařízení, jako jsou skleníky, by mohla produkovat energii po celý rok, ale výroba elektřiny na farmě by závisela na období růstu [zdroj:PlantPower].
Produkce většího množství energie na místní úrovni by mohla snížit emise uhlíku snížením poptávky po přepravě paliva – která je sama o sobě hlavním přispěvatelem skleníkových plynů. Má to ale háček, a to docela významný:I když se PMFC stanou tak efektivní, jak je to jen možné, stále čelí překážce – fotosyntetické účinnosti a produkci odpadu samotného závodu.
Rostliny jsou překvapivě neefektivní při přeměně sluneční energie na biomasu. Tento limit přeměny pramení částečně z kvantových faktorů ovlivňujících fotosyntézu a částečně ze skutečnosti, že chloroplasty absorbují světlo pouze v pásmu 400-700 nanometrů, což představuje asi 45 procent příchozího slunečního záření [zdroj:Miyamoto].
Dva nejrozšířenější typy fotosyntetizujících rostlin na Zemi jsou známé jako C3 a C4, pojmenované podle počtu atomů uhlíku v prvních molekulách, které tvoří během CO2 členění [zdroje:Seegren, Cowcer a Romeo; SERC]. Teoretický limit konverze pro rostliny C3, které tvoří 95 procent rostlin na Zemi, včetně stromů, dosahuje pouhých 4,6 procenta, zatímco rostliny C4, jako je cukrová třtina a kukuřice, se vyšplhají blíže k 6 procentům. V praxi však každý z těchto typů rostlin obecně dosahuje pouze 70 procent těchto hodnot [zdroje:Deng, Chen a Zhao; Miyamoto; SERC].
U PMFC, stejně jako u každého stroje, dochází ke ztrátě určité energie při provozu závodu – nebo v tomto případě při pěstování rostliny. Z biomasy vytvořené fotosyntézou se pouze 20 procent dostane do rhizosféry a pouze 30 procent z toho je k dispozici mikrobům jako potrava [zdroj:Deng, Chen a Zhao].
PMFC obnovují přibližně 9 procent energie z výsledného mikrobiálního metabolismu ve formě elektřiny. Dohromady to představuje míru konverze PMFC ze slunce na elektřinu blížící se 0,017 procenta pro elektrárny C3 ((70 procent z míry konverze 4,6 procenta) x 20 procent x 30 procent x 9 procent) a 0,022 procenta pro elektrárny C4 (0,70 x 6,0 x 0,20 x 0,30 x 0,09) [zdroje:Deng, Chen a Zhao; Miyamoto; SERC].
Ve skutečnosti se někteří výzkumníci domnívají, že tyto předpoklady mohou podceňovat potenciál PMFC, což může být pro spotřebitele jen dobrá zpráva.
Je to HydromaticZájem o palivové články, které umožňují autům ujet více kilometrů než samotná baterie a lze je snadněji implementovat do velkých vozidel, od listopadu 2012 nadále prudce rostl [zdroj:Ko]. Ale i když se vodíkové palivo může zdát nazelenalé, jeho výroba vyžaduje spoustu elektřiny, díky čemuž je všechno, jen ne uhlíkově neutrální [zdroj:Wüst]. PMFC, které přirozeně produkují plynný vodík, by mohly nabídnout naději na skutečně zelenou výrobu vodíkového paliva.
Jako každá nová technologie čelí PMFC řadě výzev; například potřebují substrát, který současně podporuje růst rostlin a přenos energie – dva cíle, které jsou někdy v rozporu. Rozdíly v pH mezi dvěma polovinami buněk mohou například způsobit ztrátu elektrického potenciálu, protože ionty "zkratují" membránu, aby se dosáhlo chemické rovnováhy [zdroj:Helder et al.].
Pokud však inženýři dokážou vyřešit chyby, PMFC by mohly mít obrovský a rozmanitý potenciál. Vše závisí na tom, kolik energie mohou vyrobit. Podle odhadu z roku 2008 se toto magické číslo pohybuje kolem 21 gigajoulů (5 800 kilowatthodin) na hektar (2,5 akrů) každý rok [zdroj:Strik et al.]. Novější výzkum odhaduje, že počet může dosáhnout až 1 000 gigajoulů na hektar [zdroj:Strik et al.]. Ještě pár faktů pro perspektivu [zdroje:BP; Evropská komise]:
Na základě těchto čísel, pokud by 1 procento zemědělské půdy v USA a Evropě bylo převedeno na PMFC, poskytly by odhad na zadní straně obálky 34,5 milionu gigajoulů (9,58 miliardy kilowatthodin) ročně pro Evropu a 75,6 milionu gigajoulů (20,9 miliard kilowatthodin) ročně pro Ameriku.
Pro srovnání, 27 zemí Evropské unie v roce 2010 spotřebovalo 1 759 milionů tun ekvivalentu ropy (TOE) v energetice, neboli 74,2 miliardy gigajoulů (20,5 bilionu kilowatthodin). TOE je standardizovaná jednotka mezinárodního srovnání, která se rovná energii obsažené v jedné tuně ropy [zdroje:Evropská komise; Universcience].
V tomto zjednodušeném scénáři PMFC poskytují kapku ve velmi velkém energetickém kbelíku, ale je to kapka bez znečištění a kapka generovaná bujnou krajinou namísto kouřových říhání elektráren nebo ptačích větrných farem.
Navíc je to jen začátek. Výzkumníci již pracují na účinnějších bakteriích pohlcujících odpad a mezi lety 2008 a 2012 pokroky v chemii substrátů více než zdvojnásobily výrobu elektřiny v některých PMFC. PlantPower tvrdí, že po zdokonalení by PMFC mohly poskytovat až 20 procent evropské primární energie -- tedy energie pocházející z netransformovaných přírodních zdrojů [zdroj:Øvergaard; PlantPower].
PMFC se musí stát levnějšími a efektivnějšími, než budou moci využívat širokou implementaci, ale pokrok je na cestě. Mnoho MFC již šetří peníze výrobou elektrod z vysoce vodivé uhlíkové tkaniny spíše než z drahých kovů nebo drahé grafitové plsti [zdroje:Deng, Chen a Zhao; Tvíd]. Od roku 2012 stál provoz zařízení o objemu jednoho krychlového metru v laboratorních podmínkách 70 USD.
Když vezmeme v úvahu jejich potenciál pro odstraňování znečišťujících látek a pro snižování skleníkových plynů, kdo ví? PMFC by mohly získat dostatek zájmu investorů a vlády, aby se staly elektrárnami budoucnosti – nebo zasadily semeno pro ještě lepší nápad [zdroj:Deng, Chen a Zhao].
Pokud se nad tím zamyslíte, sestavení baterie, která dokáže uniknout bakteriálním trávicím procesům, nás přibližuje o krok blíže ke kyborgům a strojům s vlastním pohonem. Lidské tělo se při přeměně potravy na energii spoléhá na střevní bakterie; pokud bychom mohli využít tento proces k odšťavnění palivových článků, pak bychom mohli také napájet tělesné implantáty, jako jsou kardiostimulátory.
Výzkumníci z Harvard Medical School a Massachusetts Institute of Technology již tuto linii rozmazali a zkonstruovali mozkový čip poháněný glukózou, kterou sklízí z recirkulovaného mozkomíšního moku [zdroj:Rapoport, Kedzierski a Sarpeshkar]. Mohou být kybermozky daleko pozadu? (No, ano, pravděpodobně).
Jen si to představte:mohli bychom postavit stroje, které se pasou! Dobře, to nemusí znít tak sexy jako paprskomety a raketové lodě, ale takové stroje mohou zůstat aktivní v terénu po neomezenou dobu, aniž by potřebovaly dobíjení nebo nové baterie. Sbírka MFC by mohla tvořit provizorní střevo, které bude čerpat elektřinu z rostlinné glukózy.
Pokud by někdo usiloval o tuto myšlenku, doufám, že použije PMFC. Představuji si stáda bílých keramických robotů pokrytých Salvia hispanica a položím otázku:
Sní androidi o elektrických Chia Pets?
