직간접적으로 지구상의 거의 모든 생명체는 태양열로 구동됩니다.
식물은 햇빛을 다른 생명체에 의해 소비될 때 먹이 그물의 나머지 부분에 태양 에너지를 전달하는 유기 화합물로 변환합니다. 인간으로서 우리는 소화를 통해 그리고 날것 또는 가공된 식물을 태움으로써 이 저장된 에너지에 접근합니다. 석유는 지질학적 힘에 의해 변형된 오래 전에 죽은 유기물일 뿐이며 1세대 바이오 연료는 옥수수, 사탕수수 및 식물성 기름에서 추출됩니다[출처:The New York Times].
불행히도 석유는 에너지만큼이나 환경 및 보안 문제로 가득 차 있으며, 다른 연료를 연소시켜 정제하는 1세대 바이오 연료는 탄소 중립에 훨씬 못 미칩니다. 설상가상으로 전 세계의 식량 작물이 말 그대로 바이오 연료 생산의 기반을 잃게 되면서 희소성이 높아지면서 식량 가격, 기아 및 정치적 불안정이 심화되고 있습니다[출처:New York Times].
하지만 우리 밥도 먹고 태울 수 있는 방법이 있다면 어떨까요? 미생물의 힘으로 작물을 죽이지 않고 에너지를 얻거나 식량이 필요하지 않은 식물과 토지를 사용하여 전력을 생산할 수 있다면 어떨까요? 이것이 식물성 연료 전지의 이면에 있는 아이디어입니다. (PMFC ).
생명이 작동하도록 하는 것과 관련하여 식물은 모든 좋은 소식을 접할 수 있지만 먹이 사슬을 함께 묶는 것은 악의적인 미생물입니다. 특히 시아노박테리아는 기반 형성을 돕습니다. 장내 미생물은 장내에서 음식을 소화하는 데 도움이 됩니다. 그리고 토양 박테리아는 폐기물을 식물이 사용할 수 있는 영양소로 바꿉니다.
수십 년 동안 연구자들은 이 미생물 대사에서 힘을 끌어낼 수 있는 방법을 찾아왔습니다. 1970년대까지 그들의 노력은 미생물 연료 전지 형태로 결실을 맺기 시작했습니다. (MFC ) -- 미생물이 촉매하는 화학 반응에서 직접 전기를 생성하는 장치 [출처:Rabaey 및 Verstraete]. MFC는 오염 물질 모니터링, 물 세척 및 담수화, 원격 센서 및 기기 전원 공급을 위한 재생 가능한 저전력 옵션을 제공합니다.
물론 걸림돌이 있습니다. MFC는 무엇인가를 거부할 수 있는 경우에만 작동합니다. 일반적으로 폐수에 있는 유기 물질 [출처:Deng, Chen 및 Zhao; ONR]. 연구원들은 그 폐기물을 무한한 태양열 에너지 뷔페로 식물 자체의 토양 미생물에 직접 전달할 수 있다는 것을 깨달았고 아이디어의 씨앗이 심어졌습니다.
2008년까지 연구원들은 이러한 식물성 MFC 중 첫 번째를 발표하는 논문을 발표했으며 그 잠재력은 점점 더 분명해졌습니다[출처:Deng, Chen 및 Zhao; De Schampelaire et al.; Strik et al.]. 이 확장 가능한 기술을 사용하여 개발도상국의 마을과 농장은 자급자족할 수 있는 반면, 선진국은 습지, 온실 또는 바이오리파이너리에서 전력을 끌어옴으로써 온실 발자국을 줄일 수 있습니다[출처:Doty; 플랜트파워].
간단히 말해서 PMFC는 "발전소"에 대한 보다 새롭고 친환경적인 스핀입니다. 아마도
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토양은 미개척(전기) 잠재력으로 가득 차 있습니다.
녹색 식물이 광합성(태양광 에너지를 화학 에너지로 변환한 다음 포도당과 같은 당에 저장)을 함에 따라 뿌리를 통해 근권이라는 토양층으로 노폐물이 배출됩니다. . 그곳에서 박테리아는 뿌리에서 방출되는 단백질 및 당과 함께 식물의 벗겨진 세포를 먹어치웁니다[출처:Ingham].
PMFC 용어로 이것은 식물이 살아있는 한 박테리아가 식권을 갖고 연료 전지가 전력을 생산한다는 것을 의미합니다. 일부 사람들은 "공짜 점심 같은 것은 없다"고 번역하는 열역학 제1법칙은 시스템이 외부 소스, 즉 태양으로부터 에너지를 받기 때문에 여전히 적용됩니다.
그러나 지구 또는 그 아래에서 미생물은 어떻게 단순히 음식을 섭취하고 대사함으로써 전기를 생성합니까? 사랑이나 베이킹과 마찬가지로 모든 것이 화학에 달려 있습니다.
광범위하게 말하면, MFC는 전기 생화학적 과정(대사)의 두 부분을 분리하고 전기 회로에 함께 배선하여 작동합니다. 그 방법을 이해하기 위해 세포 대사에 대해 자세히 살펴보겠습니다.
다음 교과서 예에서 포도당과 산소는 반응하여 이산화탄소와 물을 생성합니다[출처:Bennetto; Rabaey와 Verstraete].
C6 H12 O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2 오
그러나 개별 세포 또는 박테리아와 같은 단세포 유기체 내에서 이 광범위한 설명은 일련의 중간 단계를 설명합니다. 이러한 단계 중 일부는 우리 모두가 알고 있듯이 전기를 생성하는 데 편리한 전자를 일시적으로 방출합니다. 따라서 포도당과 산소가 반응하여 이산화탄소와 물을 생성하는 대신 여기에서 포도당과 물은 이산화탄소, 양성자(양전하를 띤 수소 이온(H + )) 및 전자(e - ) [출처:베네토; Rabaey와 Verstraete].
C6 H12 O6 + 6H2 O → 6CO2 + 24시간 + + 24e -
PMFC에서 프로세스의 절반이 연료 전지의 절반을 정의합니다. 이 부분은 식물 뿌리, 폐기물 및 박테리아가 있는 근권에 위치합니다. 세포의 나머지 절반은 투과성 막의 반대쪽에 있는 산소가 풍부한 물에 있습니다. 자연 환경에서 이 막은 토양-물 경계에 의해 형성됩니다[출처:Bennetto; Rabaey와 Verstraete; 덩, 첸, 자오].
세포의 후반부에서는 자유 양성자와 전자가 산소와 결합하여 다음과 같이 물을 생성합니다.
6O2 + 24시간 + + 24e - → 12H2 오
양성자는 이온 교환막을 가로질러 흐르면서 이 후반부에 도달하여 순 양전하와 전자가 외부 연결 와이어를 따라 흐르도록 유도하는 전위를 생성합니다. 짜잔! 전류 [출처:Bennetto; Rabaey와 Verstraete; 덩, 첸, 자오].
하지만 얼마입니까?
잠재적 문제 근절PMFC의 환경적 영향을 결정하려면 전극이 뿌리 환경에 미치는 영향을 포함하여 다양한 영역에 대한 추가 연구가 필요합니다. 예를 들어, 잠재적으로 영양소 가용성을 감소시키거나 감염을 퇴치하는 식물의 능력을 감소시킬 수 있습니다[출처:Deng, Chen 및 Zhao].
더욱이 PMFC는 습지와 경작지와 같은 가장 보호받는 땅에서 가장 잘 작동하기 때문에 까다로운 환경 승인 절차에 직면할 수 있습니다. 다른 한편으로, 폐수 MFC는 암모늄을 산화시키고 질산염을 감소시킬 수 있으므로 식물 기반 MFC가 농업 유출수로부터 습지를 보호함으로써 위험의 균형을 맞출 수 있을 가능성이 있습니다[출처:Deng, Chen 및 Zhao; 밀러; 트위드].
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2012년 현재 PMFC는 많은 에너지를 생산하지 않고 갈대 만나풀(Glyceria maxima)과 같은 식물이 있는 수중 환경에서만 작동합니다. ), 쌀, 커먼 코드그래스(Spartina anglica ) 및 거대한 갈대(Arundo donax ) [출처:Deng, Chen 및 Zhao; 플랜트파워]. Wageningen에 있는 네덜란드 생태학 연구소의 옥상 패치와 같은 PMFC 들판을 가로질러 달려간 경우 토양에서 나오는 다채로운 배선을 제외하고는 그것이 식물 모음 이상이라는 것을 결코 알지 못할 것입니다. [출처:윌리엄스].
그럼에도 불구하고 이미 과중한 글로벌 식량 공급 시스템에 대한 바이오 연료의 부담을 포함하여 다른 글로벌 지속 가능성 문제를 해결하기 위한 잠재적인 응용 프로그램은 연구자와 적어도 하나의 탐사 벤처인 523만 유로 프로젝트 PlantPower에 계속 영감을 주고 있습니다. [출처:Deng , 첸 및 자오; 플랜트파워; 테넨바움].
PMFC는 이미 수생 식물에 대해 작업하고 있기 때문에 농부와 마을은 이를 구현하기 위해 수성 벼 작물을 버릴 필요가 없습니다. 더 큰 규모로 지역 사회는 습지나 토양 질이 좋지 않은 지역에 PMFC를 설치하여 에너지와 식량 생산 간의 토지 경쟁을 피할 수 있습니다[출처:Strik et al.]. 온실과 같은 제조 환경은 일년 내내 에너지를 생산할 수 있지만 농지 전기 생산은 성장 시즌에 따라 달라집니다[출처:PlantPower].
지역적으로 더 많은 에너지를 생산하면 온실 가스의 주요 원인인 연료 운송에 대한 수요를 줄임으로써 탄소 배출량을 낮출 수 있습니다. 그러나 문제가 있으며 이는 매우 중요한 문제입니다. PMFC가 가능한 한 효율적이더라도 여전히 병목 현상에 직면해 있습니다. 즉, 광합성 효율과 공장 자체의 폐기물 생성입니다.
식물은 태양 에너지를 바이오매스로 변환하는 데 놀라울 정도로 비효율적입니다. 이 변환 한계는 부분적으로는 광합성에 영향을 미치는 양자 요인과 부분적으로는 엽록체가 들어오는 태양 복사의 약 45%를 차지하는 400-700나노미터 대역의 빛만 흡수한다는 사실에서 비롯됩니다[출처:Miyamoto].
지구상에서 가장 널리 퍼진 두 가지 유형의 광합성 식물은 C3와 C4로 알려져 있으며, CO2 동안 형성되는 첫 번째 분자의 탄소 원자 수 때문에 그렇게 명명되었습니다. 분류 [출처:Seegren, Cowcer 및 Romeo; SERC]. 나무를 포함하여 지구상의 식물의 95%를 구성하는 C3 식물의 이론적 전환 한계는 4.6%에 불과한 반면 사탕수수와 옥수수와 같은 C4 식물은 6%에 가깝습니다. 그러나 실제로 이러한 각 식물 유형은 일반적으로 이러한 값의 70%만 달성합니다[출처:Deng, Chen 및 Zhao; 미야모토 SERC].
다른 기계와 마찬가지로 PMFC를 사용하면 작업을 실행하거나 이 경우 식물을 재배할 때 약간의 에너지가 손실됩니다. 광합성에 의해 생성된 바이오매스 중 20%만이 근권에 도달하고 그 중 30%만이 미생물이 식량으로 이용할 수 있게 됩니다[출처:Deng, Chen 및 Zhao].
PMFC는 미생물 대사에서 발생하는 에너지의 약 9%를 전기로 회수합니다. 전체적으로 이는 PMFC 태양광-전기 변환율이 C3 발전소의 경우 0.017%(4.6% 전환율의 70%) x 20% x 30% x 9%, C4 발전소의 경우 0.022%(0.70 x 6.0 x 0.20 x 0.30 x 0.09) [출처:Deng, Chen 및 Zhao; 미야모토 SERC].
사실 일부 연구자들은 이러한 가정이 PMFC의 잠재력을 과소평가할 수 있다고 생각하며 이는 소비자에게 희소식일 뿐입니다.
하이드로매틱입니다2012년 11월 현재 자동차가 배터리 전원보다 더 많은 주행 거리를 주행할 수 있게 하고 대형 차량에 더 쉽게 구현될 수 있도록 하는 연료 전지에 대한 관심이 계속해서 급증했습니다[출처:고]. 그러나 수소 연료는 녹색처럼 보일 수 있지만 생산에는 많은 양의 전기가 필요하므로 탄소 중립적이지 않습니다[출처:Wüst]. 자연적으로 수소 가스를 생성하는 PMFC는 진정한 녹색 수소 연료 생산에 대한 희망을 줄 수 있습니다.
다른 신기술과 마찬가지로 PMFC는 여러 가지 문제에 직면해 있습니다. 예를 들어, 식물 성장과 에너지 전달을 동시에 촉진하는 기질이 필요합니다. 이 두 가지 목표는 때때로 상충됩니다. 예를 들어, 두 개의 셀 절반 사이의 pH 차이는 화학적 균형을 달성하기 위해 막을 가로질러 이온이 "단락"되기 때문에 전위 손실을 초래할 수 있습니다[출처:Helder et al.].
그러나 엔지니어가 문제를 해결할 수 있다면 PMFC는 방대하고 다양한 잠재력을 모두 가질 수 있습니다. 그것은 모두 그들이 얼마나 많은 에너지를 생산할 수 있는지에 달려 있습니다. 2008년 추산에 따르면 이 마법의 숫자는 매년 헥타르(2.5에이커)당 약 21기가줄(5,800킬로와트시)입니다[출처:Strik et al.]. 보다 최근의 연구에서는 그 수가 헥타르당 1,000기가줄까지 증가할 수 있다고 추정했습니다[출처:Strik et al.]. 관점에 대한 몇 가지 추가 사실 [출처:BP; 유럽연합 집행위원회]:
이 수치를 바탕으로 미국과 유럽 농지의 1%가 PMFC로 전환된다면 유럽의 경우 연간 3,450만 기가줄(95억 8000만 킬로와트시), 7,560만 기가줄(20.9 미국의 경우 연간 10억 킬로와트시).
이에 비해 2010년에 유럽 연합 27개국은 1,759백만 석유 환산 톤(TOE)을 소비했습니다. 에너지 또는 742억 기가줄(20.5조 킬로와트시)입니다. TOE는 1톤의 석유에 포함된 에너지와 동일한 국제 비교의 표준화된 단위입니다[출처:유럽 위원회; 대학].
이 단순화된 시나리오에서 PMFC는 매우 큰 에너지 양동이에 한 방울을 제공하지만 무공해 방울이며 연기를 내뿜는 발전소나 새를 몰아치는 풍력 발전소 대신 무성한 풍경에서 생성된 방울입니다.
게다가 이제 시작일 뿐입니다. 연구원들은 이미 더 효율적인 쓰레기를 먹는 박테리아에 대해 연구하고 있으며 2008년과 2012년 사이에 일부 PMFC에서 전기 생산을 두 배 이상 증가시킨 기질 화학의 발전을 이룩했습니다. PlantPower는 PMFC가 완성되면 유럽의 1차 에너지의 20%를 제공할 수 있다고 주장합니다. -- 즉, 변환되지 않은 천연 자원에서 파생된 에너지 [출처:Øvergaard; 플랜트파워].
PMFC가 광범위하게 구현되기 전에 더 저렴하고 더 효율적이어야 하지만 진전이 진행 중입니다. 이미 많은 MFC는 귀금속이나 값비싼 흑연 펠트가 아닌 전도성이 높은 탄소 천으로 전극을 제조하여 비용을 절감합니다[출처:Deng, Chen 및 Zhao; 트위드]. 2012년 기준으로 실험실 조건에서 1입방미터 설치를 운영하는 데 70달러가 들었습니다.
오염 물질을 제거하고 온실 가스를 줄이는 잠재력을 고려할 때 누가 알겠습니까? PMFC는 미래의 발전소가 되기에 충분한 투자자와 정부의 관심을 끌 수 있습니다. 또는 더 나은 아이디어를 위한 씨앗을 심을 수 있습니다[출처:Deng, Chen 및 Zhao].
곰곰이 생각해보면 박테리아 소화 과정에서 작동할 수 있는 배터리를 구축하면 사이보그와 자가 동력 기계에 한 걸음 더 다가갈 수 있습니다. 인체는 음식을 에너지로 전환하기 위해 장내 세균에 의존합니다. 이 과정을 활용하여 연료 전지를 착즙할 수 있다면 심장 박동기와 같은 신체 이식 장치에 동력을 공급할 수도 있습니다.
Harvard Medical School과 Massachusetts Institute of Technology의 연구원들은 이미 이 경계를 모호하게 하여 포도당으로 구동되는 뇌 칩을 구성하고 재순환된 뇌척수액에서 수확합니다[출처:Rapoport, Kedzierski 및 Sarpeshkar]. 사이버 브레인이 훨씬 뒤처질 수 있습니까? (글쎄요, 아마도).
상상해보십시오. 우리는 풀을 뜯는 기계를 만들 수 있습니다! 좋아, 광선총이나 로켓선만큼 섹시하지 않게 들릴지 모르지만 그러한 기계는 재충전이나 새 배터리 없이 현장에서 무기한 활성 상태로 남아 있을 수 있습니다. MFC의 집합은 임시 창자를 형성하여 식물 포도당에서 전기를 끌어올 수 있습니다.
누군가가 이 아이디어를 추구한다면 PMFC를 사용하기를 바랍니다. Salvia hispanica로 덮인 흰색 세라믹 로봇 무리를 상상합니다. , 그리고 저는 다음과 같이 질문합니다.
안드로이드는 전동 치아펫을 꿈꾸나요?
