Direct of indirect wordt bijna al het leven op aarde aangedreven door zonne-energie.
Planten zetten zonlicht om in organische verbindingen die, wanneer ze door ander leven worden geconsumeerd, de energie van de zon doorgeven aan de rest van het voedselweb. Als mensen hebben we toegang tot deze opgeslagen energie door middel van spijsvertering en door rauwe of bewerkte planten te verbranden. Aardolie is gewoon lang geleden dood organisch materiaal dat is getransformeerd door geologische krachten, en biobrandstoffen van de eerste generatie worden gewonnen uit maïs, suikerriet en plantaardige olie [bron:The New York Times].
Helaas zit aardolie net zo vol met milieu- en veiligheidsproblemen als energie, en biobrandstoffen van de eerste generatie - die worden geraffineerd door andere brandstoffen te verbranden - voldoen niet aan koolstofneutraliteit. Erger nog, aangezien wereldwijde voedselgewassen letterlijk terrein verliezen aan de productie van biobrandstoffen, leidt toenemende schaarste tot hogere voedselprijzen, honger en politieke instabiliteit [bron:The New York Times].
Maar wat als er een manier was om onze rijst te hebben en deze ook te verbranden? Wat als we energie zouden kunnen halen uit gewassen zonder ze te doden, of energie zouden kunnen opwekken met behulp van planten en land dat niet nodig is voor voedsel, en dat allemaal door de kracht van microben? Dat is het idee achter plantaardige microbiële brandstofcellen (PMFC's ).
Als het erom gaat het leven te laten werken, krijgen planten misschien alle goede pers, maar het is de veel verguisde microbe die de voedselketen bij elkaar houdt. In het bijzonder helpen cyanobacteriën bij het vormen van de basis; darmmicroben helpen ons voedsel ervan te verteren; en bodembacteriën zetten het resulterende afval om in voedingsstoffen die planten kunnen gebruiken.
Decennialang hebben onderzoekers gezocht naar manieren om kracht te putten uit dit microbiële metabolisme. In de jaren zeventig begonnen hun inspanningen vruchten af te werpen in de vorm van microbiële brandstofcellen (MFC's ) - apparaten die rechtstreeks elektriciteit opwekken uit een chemische reactie die wordt gekatalyseerd door microben [bron:Rabaey en Verstraete]. MFC's bieden hernieuwbare, energiezuinige opties voor het bewaken van verontreinigende stoffen, het reinigen en ontzilten van water en het aandrijven van sensoren en instrumenten op afstand.
Er is natuurlijk een addertje onder het gras:MFC's werken alleen zolang ze iets hebben om op te letten - meestal organisch materiaal in het afvalwater [bronnen:Deng, Chen en Zhao; ONR]. Onderzoekers realiseerden zich dat ze dat afval - een oneindig buffet ervan op zonne-energie - rechtstreeks konden afleveren aan bodemmicroben van planten zelf, en het zaadje van een idee werd geplant.
Tegen 2008 publiceerden onderzoekers papers waarin ze de eerste van deze door planten aangedreven MFC's aankondigden, en het potentieel werd steeds duidelijker [bronnen:Deng, Chen en Zhao; De Schamphelaire et al.; Strik et al.]. Met behulp van deze schaalbare technologie zouden dorpen en boerderijen in ontwikkelingslanden zelfvoorzienend kunnen worden, terwijl geïndustrialiseerde landen hun voetafdruk in de kas kunnen verkleinen door stroom te halen uit wetlands, kassen of bioraffinaderijen [bronnen:Doty; PlantPower].
PMFC's, kortom, zijn een nieuwere, groenere variant op "energiecentrales" -- misschien.
Inhoud
De bodem, zo blijkt, zit vol met onbenut (elektrisch) potentieel.
Terwijl groene planten fotosynthese uitvoeren - energie omzetten van zonlicht in chemische energie en deze vervolgens opslaan in suikers zoals glucose - scheiden ze afvalproducten via hun wortels af naar een bodemlaag die bekend staat als de rhizosfeer . Daar vreten bacteriën op de afgestoten cellen van planten, samen met eiwitten en suikers die vrijkomen door hun wortels [bron:Ingham].
In PMFC-termen betekent dit dat, zolang de plant leeft, de bacteriën een maaltijdbon hebben en de brandstofcel stroom opwekt. De eerste wet van de thermodynamica, die sommigen vertalen als "er bestaat niet zoiets als een gratis lunch", is nog steeds van toepassing omdat het systeem energie ontvangt van een externe bron, namelijk de zon.
Maar hoe wekken microben op aarde, of daaronder, elektriciteit op door simpelweg voedsel te consumeren en te metaboliseren? Net als bij liefde of bakken, komt het allemaal neer op chemie.
In het algemeen werken MFC's door twee helften van een elektro-biochemisch proces (metabolisme) te scheiden en ze samen in een elektrisch circuit te bedraden. Laten we, om te begrijpen hoe, het celmetabolisme in detail bekijken.
In het volgende schoolvoorbeeld reageren glucose en zuurstof om koolstofdioxide en water te produceren [bronnen:Bennetto; Rabaey en Verstraete].
C6 H12 O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2 O
Maar binnen individuele cellen - of eencellige organismen zoals bacteriën - verdoezelt deze brede verklaring een reeks tussenstappen. Bij sommige van deze stappen komen tijdelijk elektronen vrij die, zoals we allemaal weten, handig zijn voor het opwekken van elektriciteit. Dus in plaats van dat glucose en zuurstof reageren om koolstofdioxide en water te produceren, produceren glucose en water hier koolstofdioxide, protonen (positief geladen waterstofionen (H + )) en elektronen (e - ) [bronnen:Bennetto; Rabaey en Verstraete].
C6 H12 O6 + 6H2 O → 6CO2 + 24U + + 24e -
In een PMFC definieert deze helft van het proces de ene helft van de brandstofcel. Dit deel bevindt zich in de rhizosfeer met de plantenwortels, afvalstoffen en bacteriën. De andere helft van de cel ligt in zuurstofrijk water aan de andere kant van een permeabel membraan. In een natuurlijke omgeving wordt dit membraan gevormd door de bodem-watergrens [bronnen:Bennetto; Rabaey en Verstraete; Deng, Chen en Zhao].
In de tweede helft van de cel combineren vrije protonen en elektronen met zuurstof om water te produceren, zoals:
6O2 + 24U + + 24e - → 12U2 O
Protonen bereiken deze tweede helft door over het ionenuitwisselingsmembraan te stromen, waardoor een netto positieve lading ontstaat - en een elektrisch potentiaal dat ervoor zorgt dat elektronen langs de externe verbindingsdraad stromen. Voila! Elektrische stroom [bronnen:Bennetto; Rabaey en Verstraete; Deng, Chen en Zhao].
Maar hoeveel?
Potentiële problemen uitroeienOm de milieu-impact van PMFC's te bepalen, is nader onderzoek nodig op verschillende gebieden, waaronder de invloed van elektroden op het wortelmilieu. Ze kunnen bijvoorbeeld de beschikbaarheid van voedingsstoffen verminderen of het vermogen van een plant om infecties te bestrijden verminderen [bron:Deng, Chen en Zhao].
Bovendien, omdat ze het beste werken in enkele van onze meest beschermde gebieden - wetlands en akkerlanden - kunnen PMFC's te maken krijgen met een steil milieugoedkeuringsproces. Aan de andere kant kunnen MFC's voor afvalwater ammonium oxideren en nitraten verminderen, dus het is mogelijk dat plantaardige MFC's het risico kunnen compenseren door wetlands te beschermen tegen afvloeiing van landbouwproducten [bronnen:Deng, Chen en Zhao; Molenaar; Tweed].
Lees meer>
Vanaf 2012 produceren PMFC's niet veel energie en werken ze alleen in aquatische omgevingen, met planten zoals rietmannagras (Glyceria maxima ), rijst, koordgras (Spartina anglica ) en gigantisch riet (Arundo donax ) [bronnen:Deng, Chen en Zhao; Plantkracht]. Als je een veld met PMFC's tegenkomt, zoals het dakvlak van het Nederlands Instituut voor Ecologie in Wageningen, zou je nooit weten dat het meer was dan een verzameling planten, behalve de kleurrijke bedrading die uit de grond liep [bron:Williams].
Toch blijven hun potentiële toepassingen bij het aanpakken van andere wereldwijde duurzaamheidsproblemen, waaronder de druk die biobrandstoffen uitoefenen op een reeds overbelast wereldwijd voedselvoorzieningssysteem, onderzoekers en ten minste één verkennende onderneming inspireren, het 5,23 miljoen euro kostende project PlantPower [bronnen:Deng , Chen en Zhao; Plantkracht; Tenenbaum].
Omdat PMFC's al werken op waterplanten, hoeven boeren en dorpen hun rijstgewassen op waterbasis niet te dumpen om ze te implementeren. Op grotere schaal zouden gemeenschappen PMFC's kunnen opzetten in wetlands of gebieden met een slechte bodemkwaliteit, waarbij landconcurrentie tussen energie en voedselproductie wordt vermeden [bron:Strik et al.]. Gefabriceerde instellingen zoals kassen zouden het hele jaar door energie kunnen produceren, maar de elektriciteitsproductie van landbouwgrond zou afhangen van het groeiseizoen [bron:PlantPower].
Het lokaal produceren van meer energie zou de koolstofemissies kunnen verlagen door de vraag naar brandstoftransport te verminderen - zelf een belangrijke bijdrage aan het broeikasgas. Maar er is een addertje onder het gras, en het is een behoorlijk belangrijke:zelfs als PMFC's zo efficiënt mogelijk worden, worden ze nog steeds geconfronteerd met een knelpunt:de fotosynthetische efficiëntie en de afvalproductie van de fabriek zelf.
Planten zijn verrassend inefficiënt in het omzetten van zonne-energie in biomassa. Deze conversielimiet komt deels voort uit kwantumfactoren die de fotosynthese beïnvloeden en deels uit het feit dat chloroplasten alleen licht absorberen in de 400-700 nanometerband, die goed is voor ongeveer 45 procent van de inkomende zonnestraling [bron:Miyamoto].
De twee meest voorkomende soorten fotosynthetiserende planten op aarde staan bekend als C3 en C4, zo genoemd vanwege het aantal koolstofatomen in de eerste moleculen die ze vormen tijdens CO2 storing [bronnen:Seegren, Cowcer en Romeo; SERC]. De theoretische conversielimiet voor C3-planten, die 95 procent van de planten op aarde uitmaken, inclusief bomen, komt uit op slechts 4,6 procent, terwijl C4-planten zoals suikerriet en maïs dichter bij 6 procent stijgen. In de praktijk bereikt elk van deze planttypen echter over het algemeen slechts 70 procent van deze waarden [bronnen:Deng, Chen en Zhao; Miyamoto; SERC].
Met PMFC's, zoals bij elke machine, gaat er wat energie verloren bij het runnen van de fabriek - of, in dit geval, bij het laten groeien van de plant. Van de biomassa die door fotosynthese is opgebouwd, bereikt slechts 20 procent de rhizosfeer, en slechts 30 procent daarvan komt beschikbaar voor microben als voedsel [bron:Deng, Chen en Zhao].
PMFC's herstellen ongeveer 9 procent van de energie uit het resulterende microbiële metabolisme als elektriciteit. In totaal komt dat neer op een PMFC-conversiepercentage van zonne-energie naar elektriciteit van bijna 0,017 procent voor C3-fabrieken ((70 procent van de 4,6 procent conversieratio) x 20 procent x 30 procent x 9 procent) en 0,022 procent voor C4-fabrieken (0,70 x 6,0 x 0,20 x 0,30 x 0,09) [bronnen:Deng, Chen en Zhao; Miyamoto; SERC].
Sommige onderzoekers denken zelfs dat deze aannames het potentieel van PMFC's kunnen onderschatten, wat alleen maar goed nieuws kan zijn voor consumenten.
Het is hydromatischDe belangstelling voor brandstofcellen, waarmee auto's meer kilometers kunnen afleggen dan alleen batterijvermogen en die gemakkelijker kunnen worden geïmplementeerd in grote voertuigen, bleef stijgen vanaf november 2012 [bron:Ko]. Maar hoewel waterstofbrandstof misschien groenachtig lijkt, vereist de productie ervan heel veel elektriciteit, waardoor het allesbehalve koolstofneutraal is [bron:Wüst]. PMFC's, die van nature waterstofgas produceren, kunnen hoop bieden op een echt groene waterstofproductie.
Zoals elke nieuwe technologie staan PMFC's voor een aantal uitdagingen; ze hebben bijvoorbeeld een substraat nodig dat tegelijkertijd de plantengroei en energieoverdracht bevordert - twee doelen die soms op gespannen voet staan. Verschillen in pH tussen de twee celhelften kunnen bijvoorbeeld leiden tot verlies van elektrisch potentieel, omdat ionen "kort" over het membraan komen om een chemisch evenwicht te bereiken [bron:Helder et al.].
Als ingenieurs de knikken kunnen oplossen, kunnen PMFC's echter zowel een enorm als gevarieerd potentieel hebben. Het komt allemaal neer op hoeveel energie ze kunnen produceren. Volgens een schatting van 2008 komt dat magische getal elk jaar op ongeveer 21 gigajoule (5.800 kilowattuur) per hectare (2,5 acres) [bron:Strik et al.]. Meer recent onderzoek heeft geschat dat dit aantal kan oplopen tot 1000 gigajoule per hectare [bron:Strik et al.]. Nog een paar feiten voor perspectief [bronnen:BP; Europese Commissie]:
Op basis van deze cijfers, als 1 procent van de Amerikaanse en Europese landbouwgronden zou worden omgezet in PMFC's, zou dit een back-of-the-envelope schatting opleveren van 34,5 miljoen gigajoule (9,58 miljard kilowattuur) per jaar voor Europa en 75,6 miljoen gigajoule (20,9 miljard kilowattuur) per jaar voor Amerika.
Ter vergelijking:in 2010 verbruikten de 27 landen van de Europese Unie 1.759 miljoen ton olie-equivalent (TOE) in energie, of 74,2 miljard gigajoule (20,5 biljoen kilowattuur). TOE is een gestandaardiseerde eenheid voor internationale vergelijking, gelijk aan de energie in één ton aardolie [bronnen:Europese Commissie; Universiteitswetenschappen].
In dit vereenvoudigde scenario leveren PMFC's een druppel in een zeer grote energie-emmer, maar het is een druppel die vrij is van vervuiling, en een druppel die wordt gegenereerd uit weelderige landschappen in plaats van rookopwekkende elektriciteitscentrales of vogelvernietigende windparken.
Bovendien is het nog maar het begin. Onderzoekers werken al aan efficiëntere bacteriën die afval opslokken en tussen 2008 en 2012 heeft de vooruitgang in de substraatchemie de elektrische productie in sommige PMFC's meer dan verdubbeld. PlantPower stelt dat PMFC's, eenmaal geperfectioneerd, wel 20 procent van Europa's primaire energie kunnen leveren -- dat wil zeggen, energie afgeleid van niet-getransformeerde natuurlijke hulpbronnen [bron:Øvergaard; PlantPower].
PMFC's moeten goedkoper en efficiënter worden voordat ze breed kunnen worden geïmplementeerd, maar er is vooruitgang. Veel MFC's besparen nu al geld door elektroden te vervaardigen van sterk geleidend koolstofdoek in plaats van edele metalen of duur grafietvilt [bronnen:Deng, Chen en Zhao; Tweed]. Vanaf 2012 kostte het $ 70 om een opstelling van één kubieke meter onder laboratoriumomstandigheden te gebruiken.
Als je kijkt naar hun potentieel voor het verwijderen van verontreinigende stoffen en voor het verminderen van broeikasgassen, wie weet? PMFC's zouden genoeg investeerders en overheidsbelangen kunnen wekken om de energiecentrales van de toekomst te worden - of het zaadje te planten voor een nog beter idee [bron:Deng, Chen en Zhao].
Als je erover nadenkt, brengt het bouwen van een batterij die kan opraken van bacteriële spijsverteringsprocessen ons een stap dichter bij cyborgs en zelfaangedreven machines. Het menselijk lichaam vertrouwt op darmbacteriën om voedsel om te zetten in energie; als we dit proces zouden kunnen aanboren om brandstofcellen te voeden, dan zouden we ook lichaamsimplantaten, zoals pacemakers, van stroom kunnen voorzien.
Onderzoekers van de Harvard Medical School en het Massachusetts Institute of Technology hebben deze lijn al vervaagd door een hersenchip te construeren die wordt aangedreven door glucose, die het oogst uit gerecirculeerd hersenvocht [bron:Rapoport, Kedzierski en Sarpeshkar]. Kunnen cyberbrains ver achterblijven? (Nou ja, waarschijnlijk).
Stelt u zich eens voor:we zouden machines kunnen bouwen die grazen! Oké, dat klinkt misschien niet zo sexy als straalgeweren en raketschepen, maar dergelijke machines kunnen voor onbepaalde tijd actief blijven in het veld zonder dat ze opnieuw hoeven te worden opgeladen of nieuwe batterijen nodig hebben. Een verzameling MFC's zou een geïmproviseerde darm kunnen vormen en elektriciteit uit plantaardige glucose kunnen halen.
Mocht iemand dit idee nastreven, dan hoop ik dat ze PMFC's zullen gebruiken. Ik stel me kuddes witte keramische robots voor die bedekt zijn met Salvia hispanica , en ik stel de vraag:
Dromen androïden van elektrische Chia Pets?
