સોઇલ માઇક્રોબાયલ ફ્યુઅલ સેલ (SMFCs): નવી ડિઝાઇન પર્યાવરણ અને ખેડૂતોને લાભ આપી શકે છે 

માટી માઇક્રોબાયલ ઇંધણ કોષો (SMFCs) વીજળી ઉત્પન્ન કરવા માટે જમીનમાં કુદરતી રીતે બનતા બેક્ટેરિયાનો ઉપયોગ કરે છે. નવીનીકરણીય શક્તિના લાંબા ગાળાના, વિકેન્દ્રિત સ્ત્રોત તરીકે, વિવિધ પર્યાવરણીય પરિસ્થિતિઓના વાસ્તવિક-સમયની દેખરેખ માટે SMFC ને કાયમી ધોરણે તૈનાત કરી શકાય છે અને તે ચોકસાઈના વિકાસમાં પણ યોગદાન આપી શકે છે. ખેતી અને સ્માર્ટ શહેરો. જો કે, એક સદીથી વધુ સમયથી અસ્તિત્વમાં હોવા છતાં, પાવર આઉટપુટમાં અસંગતતાને કારણે SMFCsનો વ્યવહારિક ઉપયોગ લગભગ અસ્તિત્વમાં નથી. હાલમાં, ત્યાં કોઈ SMFC નથી કે જે ઉચ્ચ ભેજવાળી પાણીયુક્ત પરિસ્થિતિઓની બહાર સતત વીજળી ઉત્પન્ન કરી શકે. તાજેતરના અભ્યાસમાં, સંશોધકોએ વિવિધ ડિઝાઇન સંસ્કરણો બનાવ્યાં અને તેની તુલના કરી અને જાણવા મળ્યું કે વર્ટિકલ સેલ ડિઝાઇન કામગીરીમાં સુધારો કરે છે અને SMFCsને જમીનની ભેજમાં ફેરફાર માટે વધુ સ્થિતિસ્થાપક બનાવે છે.   

માઇક્રોબાયલ બળતણ કોષો (MFCs) એ બાયોરિએક્ટર છે જે રાસાયણિક બોન્ડમાં ઊર્જાનું રૂપાંતર કરીને વીજળી ઉત્પન્ન કરે છે ઓર્ગેનિક સૂક્ષ્મજીવાણુઓ દ્વારા બાયોકેટાલિસિસ દ્વારા વિદ્યુત ઊર્જામાં સંયોજનો. સબસ્ટ્રેટના બેક્ટેરિયલ ઓક્સિડેશન દ્વારા એનોડ કમ્પાર્ટમેન્ટમાં મુક્ત થયેલા ઇલેક્ટ્રોન કેથોડમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે જ્યાં તેઓ ઓક્સિજન અને હાઇડ્રોજન આયનો સાથે જોડાય છે.  

એરોબિક સ્થિતિ હેઠળ બાયોકેમિકલ પ્રતિક્રિયાઓ, ઉદાહરણ તરીકે, સબસ્ટ્રેટ તરીકે એસિટેટ માટે: 

એનોડ પર ઓક્સિડેશન અર્ધ-પ્રતિક્રિયા 

CH₃સીઓઓ^- +3એચ₂O → CO₂ +HCO₃^- +8એચ⁺ +8e^-  

કેથોડ પર અર્ધ-પ્રતિક્રિયામાં ઘટાડો 

2 ઓ ₂ + 8 એચ ⁺ + 8 ઇ ^-   . 4 એચ ₂ O 

એનારોબિક વાતાવરણમાં, એમએફસી વીજળી ઉત્પન્ન કરવા માટે સબસ્ટ્રેટ તરીકે બાયોવેસ્ટનો ઉપયોગ કરી શકે છે. 

MFCs પાસે ટકાઉ ઊર્જાના પર્યાવરણીય મુદ્દાઓના ઉકેલ તરીકે સેવા આપવાની ક્ષમતા છે, ગ્લોબલ વોર્મિંગ અને બાયોવેસ્ટ મેનેજમેન્ટ. તે એવા વિસ્તારોમાં લાગુ કરવા માટે નક્કર કેસ ધરાવે છે જ્યાં નિયમિત રાસાયણિક બેટરીઓ અને સૌર પેનલ્સ અપેક્ષા કરતાં ઓછી હોય છે જેમ કે લીલા માળખાં, ઘાસના મેદાનો, વેટલેન્ડ્સ અથવા ભૂગર્ભમાં. આ વિસ્તારોમાં, સોલાર પેનલ રાત્રે કામ કરતી નથી અને સામાન્ય રીતે ગંદકી અથવા વનસ્પતિઓથી ઢંકાઈ જાય છે જ્યારે કેમિકલના ઘટકો બેટરી પર્યાવરણ માં લીચ. માટી માઇક્રોબાયલ ઇંધણ કોષો (SMFCs) ઓછા ઉર્જા ઉપકરણોને પાવર કરવા માટે ખેતી, ઘાસના મેદાનો, જંગલો અને પડતર જમીનમાં આવા વિસ્તારોમાં ઊર્જાના ટકાઉ સ્ત્રોત તરીકે આવે છે.  

સોઇલ માઇક્રોબાયલ ફ્યુઅલ સેલ (SMFCs) વીજળી ઉત્પન્ન કરવા માટે જમીનમાં કુદરતી રીતે બનતા બેક્ટેરિયાનો ઉપયોગ કરે છે. શ્રેષ્ઠ પરિસ્થિતિઓમાં, SMFCs 200 mV ના વોલ્ટેજ સાથે 731 μW સુધી પાવર ઉત્પન્ન કરી શકે છે. નવીનીકરણીય શક્તિના લાંબા ગાળાના, વિકેન્દ્રિત સ્ત્રોત તરીકે, વિવિધ પર્યાવરણીય પરિસ્થિતિઓ અને માર્ગદર્શિકા નીતિના વાસ્તવિક-સમયની દેખરેખ માટે SMFC ને કાયમી ધોરણે તૈનાત કરી શકાય છે. આ સ્માર્ટ શહેરોના વિકાસમાં પણ યોગદાન આપી શકે છે અને ખેતરો.  

જો કે, એક સદીથી વધુ સમયથી અસ્તિત્વમાં હોવા છતાં, ગ્રાઉન્ડ લેવલ પર SMFCsનો વ્યવહારિક ઉપયોગ ખૂબ જ મર્યાદિત છે. હાલમાં, ત્યાં કોઈ SMFC નથી કે જે ઉચ્ચ ભેજવાળી પાણીયુક્ત પરિસ્થિતિઓની બહાર સતત વીજળી ઉત્પન્ન કરી શકે. પાવર આઉટપુટમાં વિસંગતતા પર્યાવરણીય પરિસ્થિતિઓ, જમીનની ભેજ, જમીનના પ્રકારો, જમીનમાં વસતા સૂક્ષ્મજીવાણુઓ વગેરેમાં તફાવતને આભારી છે, પરંતુ જમીનની ભેજમાં ફેરફાર પાવર આઉટપુટની સુસંગતતા પર મહત્તમ અસર કરે છે. સતત પાવર આઉટપુટ માટે કોષોને પૂરતા પ્રમાણમાં હાઇડ્રેટેડ અને ઓક્સિજનયુક્ત રહેવાની જરૂર છે જે સૂકી ગંદકીમાં ભૂગર્ભમાં દફનાવવામાં આવે ત્યારે મુશ્કેલ સમસ્યા બની શકે છે.   

વર્ટિકલ સેલ ડિઝાઇન કામગીરીમાં સુધારો કરે છે અને SMFC ને જમીનની ભેજમાં ફેરફાર માટે વધુ સ્થિતિસ્થાપક બનાવે છે.  

તાજેતરના અભ્યાસમાં (એસએમએફસી ડિપ્લોયમેન્ટ ડેટાના સંયુક્ત નવ મહિના સાથે 2-વર્ષ-લાંબી પુનરાવર્તિત ડિઝાઇન પ્રક્રિયાનો સમાવેશ થાય છે) સામાન્ય ડિઝાઇન માર્ગદર્શિકા પર પહોંચવા માટે સેલ ડિઝાઇનનું વ્યવસ્થિત રીતે પરીક્ષણ કર્યું છે. સંશોધન ટીમે પરંપરાગત ડિઝાઇન સહિત ચાર અલગ-અલગ આવૃત્તિઓ બનાવી અને તેની સરખામણી કરી જેમાં કેથોડ અને એનોડ બંને એકબીજાના સમાંતર છે. ફ્યુઅલ સેલની વર્ટિકલ ડિઝાઇન (સંસ્કરણ 3: એનોડ ઓરિએન્ટેશન હોરિઝોન્ટલ અને કેથોડ ઓરિએન્ટેશન લંબ) શ્રેષ્ઠ પ્રદર્શન કરતી જોવા મળી હતી. તે ડૂબી ગયેલી સ્થિતિથી અંશે સૂકી સ્થિતિની ભેજ શ્રેણીમાં સારી રીતે કામ કરે છે.  

ઊભી ડિઝાઇનમાં, એનોડ (બેક્ટેરિયા દ્વારા છોડવામાં આવતા ઇલેક્ટ્રોનને પકડવા માટે કાર્બનનો બનેલો) જમીનની સપાટી પર કાટખૂણે ભેજવાળી જમીનમાં દફનાવવામાં આવે છે જ્યારે કેથોડ (નિષ્ક્રિય, વાહક ધાતુથી બનેલો) એનોડની ઉપર આડા જમીન પર ઊભી રીતે બેસે છે. સ્તર જ્યાં ઓક્સિજન અર્ધ પ્રતિક્રિયા પૂર્ણ કરવા માટે સરળતાથી ઉપલબ્ધ છે.  

જ્યારે કોષ પાણીથી ડૂબી ગયો હતો ત્યારે સમગ્ર સમયગાળા દરમિયાન ડિઝાઇન માટે પાવર આઉટપુટ નોંધપાત્ર રીતે વધારે હતું. તે સંપૂર્ણપણે પાણીની અંદરની સ્થિતિથી અંશે શુષ્ક (વોલ્યુમ દ્વારા 41% પાણી) સુધી સારી રીતે કાર્ય કરે છે જો કે સક્રિય રહેવા માટે તેમાં હજુ પણ ઉચ્ચ 41% વોલ્યુમેટ્રિક વોટર કન્ટેન્ટ (VWC) ની જરૂરિયાત હતી.  

આ અભ્યાસ SMFCs ની સુસંગતતા અને ભેજના ફેરફારો માટે સ્થિતિસ્થાપકતામાં સુધારો કરવા માટેના ડિઝાઇન પાસાંને લગતા પ્રશ્નને સંબોધિત કરે છે. લેખકોએ તમામ ડિઝાઈન, ટ્યુટોરિયલ્સ અને સિમ્યુલેશન ટૂલ્સનો ઉપયોગ અને નિર્માણ કરવા માટે જાહેર જનતા માટે રીલીઝ કર્યા હોવાથી, આસ્થાપૂર્વક, આનો અનુવાદ નજીકના ભવિષ્યમાં ચોકસાઇ ખેતી જેવા વિવિધ ક્ષેત્રોમાં વ્યાપક એપ્લિકેશનમાં થશે.  

*** 

સંદર્ભ:  

1. વિશ્વનાથન એએસ, 2021. માઇક્રોબાયલ ફ્યુઅલ સેલ: નવા નિશાળીયા માટે વ્યાપક સમીક્ષા. 3 બાયોટેક. 2021 મે; 11(5): 248. 01 મે 2021ના રોજ ઓનલાઈન પ્રકાશિત. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. દસ બી., એટ અલ 2024. સોઇલ-પાવર્ડ કમ્પ્યુટિંગ: પ્રાયોગિક સોઇલ માઇક્રોબાયલ ફ્યુઅલ સેલ ડિઝાઇન માટે એન્જિનિયરની માર્ગદર્શિકા. પ્રકાશિત:12 જાન્યુઆરી 2024. ઇન્ટરેક્ટિવ, મોબાઇલ, વેરેબલ અને સર્વવ્યાપક ટેક્નોલોજીઓ પર ACMની કાર્યવાહી. વોલ્યુમ 7 અંક 4 કલમ નં.: 196pp 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. નોર્થવેસ્ટર્ન યુનિવર્સિટી. સમાચાર-ધૂળ-સંચાલિત બળતણ સેલ કાયમ ચાલે છે. 12 જાન્યુઆરી 2024 ના રોજ પોસ્ટ કરવામાં આવ્યું. પર ઉપલબ્ધ https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***