Ερευνητές στο Michigan Technological University αναπτύσσουν ένα σύστημα μικροβιακής κυψέλης καυσίμου που θα μπορούσε να βοηθήσει τους υποθαλάσσιους αισθητήρες να παραμένουν βυθισμένοι για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια από οργανική ύλη που υπάρχει ήδη στο θαλασσινό νερό.
Το έργο αποτελεί μέρος του προγράμματος BioLogical Undersea Energy (BLUE), της Defense Advanced Research Projects Agency, το οποίο στοχεύει στη δημιουργία αυτοτροφοδοτούμενων υποθαλάσσιων συστημάτων ενέργειας για αισθητήρες μεγάλης διάρκειας στον ωκεανό.
Τα τρέχοντα συστήματα υποθαλάσσιας παρακολούθησης βασίζονται κυρίως σε μπαταρίες που απαιτούν δαπανηρές διαδικασίες ανέλκυσης και αντικατάστασης
Η ομάδα υπό την καθοδήγηση του Michigan Tech δοκιμάζει μικροβιακές κυψέλες καυσίμου (microbial fuel cells - MFCs), που χρησιμοποιούν βακτήρια για να μετατρέπουν διαλυμένη οργανική ύλη και μικροσκοπική θαλάσσια βιομάζα σε ηλεκτρικό ρεύμα.
Οι ερευνητές λένε ότι η τεχνολογία θα μπορούσε μελλοντικά να υποστηρίξει ναυτικούς αμυντικούς αισθητήρες, συστήματα οικολογικής παρακολούθησης και υποθαλάσσια ακουστικά δίκτυα.
«Υπάρχει αυξανόμενη ανάπτυξη όλων των ειδών αισθητήρων στο θαλάσσιο περιβάλλον για την παρατήρηση οικολογικών συνθηκών, μεταναστεύσεων οργανισμών και ακουστικής σχετικής με τη ναυτική άμυνα», δήλωσε η Amy Marcarelli, διακεκριμένη καθηγήτρια βιολογικών επιστημών στο Michigan Tech.
Οι ερευνητές έχουν ήδη ολοκληρώσει μια 30ήμερη υποθαλάσσια ανάπτυξη στον κόλπο Chesapeake, όπου τα πρωτότυπα συστήματα συνέχισαν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια ενώ ήταν πλήρως βυθισμένα.
Οι μικροοργανισμοί παράγουν θαλάσσια ενέργεια
Οι μικροβιακές κυψέλες καυσίμου λειτουργούν χρησιμοποιώντας βακτήρια που μεταφέρουν φυσικά ηλεκτρόνια κατά τον μεταβολισμό.
Στο σύστημα που σχεδιάστηκε από την ομάδα του Michigan Tech, αυτά τα ηλεκτρόνια μετακινούνται μεταξύ μιας ανόδου και μιας καθόδου, δημιουργώντας χρησιμοποιήσιμο ηλεκτρικό ρεύμα.
Μία από τις βασικές μηχανικές προκλήσεις είναι ότι το θαλασσινό νερό περιέχει πολύ λιγότερη οργανική ύλη από περιβάλλοντα όπου οι μικροβιακές κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούνται συνήθως, όπως οι εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων.
Τα θαλάσσια περιβάλλοντα περιέχουν επίσης υψηλά επίπεδα οξυγόνου που παρεμβαίνουν στη διαδικασία παραγωγής ενέργειας των μικροοργανισμών.
Για τη βελτίωση της απόδοσης, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν κοκκώδη ενεργό άνθρακα μέσα σε σωληνωτές κυψέλες καυσίμου. Το υλικό συγκεντρώνει την οργανική ύλη και παρέχει μια επιφάνεια όπου οι μικροοργανισμοί μπορούν να σχηματίσουν βιοφίλμ και να συνεχίσουν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια ακόμη και σε περιβάλλοντα πλούσια σε οξυγόνο.
«Η βασική ιδέα είναι ότι οι μικροοργανισμοί μετακινούν ηλεκτρόνια κατά τη διάρκεια των μεταβολικών τους διαδικασιών», δήλωσε η Marcarelli. «Σε μια μικροβιακή κυψέλη καυσίμου, αυτές οι διαδικασίες μεταφέρουν ηλεκτρόνια από μια άνοδο σε μια κάθοδο, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα που μπορούμε να αξιοποιήσουμε».
Οι ερευνητές επανασχεδίασαν επίσης το σύστημα για να βελτιώσουν την ενεργειακή απόδοση και να απλοποιήσουν την ανάπτυξη. Οι νεότερες εκδόσεις χρησιμοποιούν αρθρωτές, στοιβαζόμενες μονάδες με μεμονωμένες αντλίες και πίνακες ελέγχου.
Τα πιο πρόσφατα πρωτότυπα δοκιμάστηκαν στον κόλπο Galveston, όπου τρεις από τις τέσσερις μονάδες φέρεται να παρήγαγαν επιτυχώς ενέργεια κατά τη διάρκεια υποθαλάσσιων δοκιμών.
Οι αισθητήρες παραμένουν βυθισμένοι
Το σύστημα έχει σχεδιαστεί να λειτουργεί πλήρως υποθαλάσσια χωρίς να εξαρτάται από ενέργεια κυμάτων στην επιφάνεια ή ανθρώπινη συντήρηση. Οι ερευνητές λένε ότι αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει στους ωκεάνιους αισθητήρες να παραμένουν ενεργοί για μεγαλύτερες χρονικές περιόδους σε απομακρυσμένα περιβάλλοντα.
Η ομάδα επίσης ανέπτυξε προγνωστικά μοντέλα χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης και περιβαλλοντικά δεδομένα για να εκτιμήσει πού οι μικροβιακές κυψέλες καυσίμου θα μπορούσαν να παράγουν αρκετή ενέργεια σε παγκόσμιες παράκτιες περιοχές.
«Αυτό που κάνουμε πραγματικά από την πλευρά μας είναι να συνδυάζουμε μέσα τηλεπισκόπησης, δεδομένα πεδίου, πειραματικά εργαστηριακά δεδομένα και στη συνέχεια πραγματικά πειράματα ανάπτυξης MFC», δήλωσε ο Michael Sayers, επικεφαλής ερευνητής στο Michigan Tech Research Institute.
Οι ερευνητές προετοιμάζουν τώρα μια μεγαλύτερη ανάπτυξη που θα περιλαμβάνει 10 μικροβιακές κυψέλες καυσίμου στον κόλπο Chesapeake. Ο στόχος είναι να μελετηθεί η μακροπρόθεσμη απόδοση και να εκτιμηθεί εάν τα συστήματα θα μπορούσαν τελικά να υποστηρίξουν υποθαλάσσιες λειτουργίες διάρκειας ενός έτους.
Απεικόνιση της διαδικασίας παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος
Στο διάγραμμα, με τίτλο «Επισκόπηση της προσέγγισης», απεικονίζεται ένας βασικός σχεδιασμός μιας μικροβιακής κυψέλης καυσίμου (MFC). Ένας υπόμνημα στην αριστερή πλευρά προσδιορίζει τα σύμβολα στην απεικόνιση για βαλβίδες αντεπιστροφής, ανόδους, καθόδους, κοκκώδη ενεργό άνθρακα, συμπυκνωμένη οργανική ύλη (OM) και βιοφίλμ ARB.
«Εργασία 1: Χαρακτηρισμός της εισροής» περιέχει επισημασμένες απεικονίσεις αιωρούμενων στερεών, διαλυμένης οργανικής ύλης και φυτοπλαγκτόν.
«Εργασία 2: Χαρακτηριστικά σημαντικά για την απόδοση».
«Εργασίες 3–6: Σχεδιασμός και δοκιμή συστήματος για τη συλλογή και μετατροπή θαλάσσιας οργανικής ύλης σε ηλεκτρική ενέργεια» και δείχνει επισημασμένες ανόδους και καθόδους αέρα, καθώς και μια μικρότερη απεικόνιση στο πλάι που δείχνει τη μετατροπή της διαλυμένης οργανικής ύλης (DOM) σε διοξείδιο του άνθρακα και θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου (CO2+H+) και αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια.
«Εργασία 7 και 8: Βιοασφάλεια και περιβαλλοντικές επιπτώσεις».
www.worldenergynews.gr
