Wie pflanzenmikrobielle Brennstoffzellen funktionieren

Wenn sich pflanzenmikrobielle Brennstoffzellen durchsetzen, können Reispflanzen wie diese sowohl Energie als auch Nahrung bedeuten. Möchten Sie mehr erfahren? Schauen Sie sich diese Fahrzeugbilder mit alternativen Kraftstoffen an. Creative Commons / midorisyu (unter CC BY 2.0 Lizenz)

Direkt oder indirekt ist fast alles Leben auf der Erde solarbetrieben.

Pflanzen wandeln Sonnenlicht in organische Verbindungen um, die, wenn sie von anderen Lebewesen verzehrt werden, die Sonnenenergie an den Rest des Nahrungsnetzes weitergeben. Als Menschen greifen wir durch Verdauung und Verbrennung von rohen oder verarbeiteten Pflanzen auf diese gespeicherte Energie zu. Erdöl ist nur eine lange tote organische Substanz, die durch geologische Kräfte umgewandelt wird, und Biokraftstoffe der ersten Generation werden aus Mais, Zuckerrohr und Pflanzenöl entkörnt [Quelle: The New York Times].

Leider ist Erdöl ebenso voller Umwelt- und Sicherheitsprobleme wie Energie, und Biokraftstoffe der ersten Generation, die durch Verbrennung anderer Kraftstoffe raffiniert werden, sind weit hinter der CO2-Neutralität zurückgeblieben. Schlimmer noch, da globale Nahrungspflanzen buchstäblich an Boden für die Produktion von Biokraftstoffen verlieren, treibt die zunehmende Knappheit die Lebensmittelpreise, den Hunger und die politische Instabilität in die Höhe [Quelle: The New York Times].

Aber was wäre, wenn es eine Möglichkeit gäbe, unseren Reis zu haben und ihn auch zu verbrennen? Was wäre, wenn wir Energie aus Pflanzen gewinnen könnten, ohne sie zu töten, oder Strom aus Pflanzen und Land erzeugen könnten, die nicht für Lebensmittel benötigt werden, alles durch die Kraft von Mikroben? Das ist die Idee dahinter pflanzenmikrobielle Brennstoffzellen (PMFCs).

Wenn es darum geht, das Leben zum Laufen zu bringen, bekommen Pflanzen vielleicht die ganze gute Presse, aber es ist die stark bösartige Mikrobe, die die Nahrungskette zusammenhält. Insbesondere helfen Cyanobakterien bei der Bildung ihrer Basis; Darmmikroben helfen uns, Nahrung daraus zu verdauen; und Bodenbakterien wandeln den entstehenden Abfall in Nährstoffe um, die Pflanzen verwenden können.

Seit Jahrzehnten suchen Forscher nach Möglichkeiten, um aus diesem mikrobiellen Stoffwechsel Strom zu gewinnen. In den 1970er Jahren begannen ihre Bemühungen Früchte in Form von zu tragen mikrobielle Brennstoffzellen (MFCs) - Geräte, die Elektrizität direkt aus einer durch Mikroben katalysierten chemischen Reaktion erzeugen [Quelle: Rabaey und Verstraete]. MFCs bieten erneuerbare Optionen mit geringem Stromverbrauch zur Überwachung von Schadstoffen, zur Reinigung und Entsalzung von Wasser sowie zur Stromversorgung von Fernsensoren und -instrumenten.

Es gibt natürlich einen Haken: MFCs funktionieren nur, solange sie etwas zu tun haben - normalerweise organisches Material im Abwasser [Quellen: Deng, Chen und Zhao; ONR]. Die Forscher erkannten, dass sie diesen Abfall - ein endloses, solarbetriebenes Buffet davon - direkt an Bodenmikroben von Pflanzen selbst liefern konnten, und der Keim einer Idee wurde gepflanzt.

Bis 2008 veröffentlichten Forscher Artikel, in denen der erste dieser MFCs mit Pflanzenantrieb angekündigt wurde, und das Potenzial wurde immer deutlicher [Quellen: Deng, Chen und Zhao; De Schamphelaire et al.; Strik et al.]. Mit dieser skalierbaren Technologie könnten Dörfer und Bauernhöfe in Entwicklungsländern autark werden, während Industrienationen ihre Gewächshausabdrücke verringern könnten, indem sie Strom aus Feuchtgebieten, Gewächshäusern oder Bioraffinerien beziehen [Quellen: Doty; PlantPower].

Kurz gesagt, PMFCs sind eine neuere, umweltfreundlichere Variante von "Kraftwerken" - vielleicht.

Inhalt

1. Es gibt keinen Ort wie Lehm
2. PMFCs: Alle nass oder herausragend auf ihrem Gebiet?
3. Vom Erdöl zum Pflugschar

Wie sich herausstellt, ist der Boden voll von ungenutztem (elektrischem) Potential.

Während grüne Pflanzen die Photosynthese betreiben - Energie aus Sonnenlicht in chemische Energie umwandeln und diese dann in Zucker wie Glukose speichern - geben sie Abfallprodukte über ihre Wurzeln in eine Bodenschicht ab, die als die bekannt ist Rhizosphäre. Dort fressen Bakterien die abgelösten Pflanzenzellen sowie Proteine ​​und Zucker, die von ihren Wurzeln freigesetzt werden [Quelle: Ingham]..

In PMFC-Begriffen bedeutet dies, dass die Bakterien, solange die Pflanze lebt, eine Essenskarte haben und die Brennstoffzelle Strom erzeugt. Das erste Gesetz der Thermodynamik, das manche als "es gibt kein kostenloses Mittagessen" übersetzen, gilt immer noch, weil das System Energie von einer externen Quelle erhält, nämlich der Sonne.

Aber wie um alles in der Welt oder darunter erzeugen Mikroben Elektrizität, indem sie einfach Lebensmittel konsumieren und metabolisieren? Wie bei Liebe oder Backen kommt es auf die Chemie an.

Im Großen und Ganzen arbeiten MFCs, indem sie zwei Hälften eines elektro-biochemischen Prozesses (Stoffwechsel) trennen und zu einem Stromkreis verbinden. Um zu verstehen, wie es geht, schauen wir uns den Zellstoffwechsel im Detail an.

Im folgenden Lehrbuchbeispiel reagieren Glukose und Sauerstoff unter Bildung von Kohlendioxid und Wasser [Quellen: Bennetto; Rabaey und Verstraete].

C.₆H.₁₂Ö₆ + 6O₂ → 6C_O2 + 6H₂Ö

Aber innerhalb einzelner Zellen - oder einzelliger Organismen wie Bakterien - beschönigt diese breite Aussage eine Reihe von Zwischenschritten. Einige dieser Schritte setzen vorübergehend Elektronen frei, die, wie wir alle wissen, zur Stromerzeugung nützlich sind. Anstelle von Glukose und Sauerstoff, die unter Bildung von Kohlendioxid und Wasser reagieren, produzieren Glukose und Wasser hier Kohlendioxid, Protonen (positiv geladene Wasserstoffionen (H.⁺)) und Elektronen (e^-) [Quellen: Bennetto; Rabaey und Verstraete].

C.₆H.₁₂Ö₆ + 6H₂O → 6CO₂ + 24H⁺ + 24e^-

In einer PMFC definiert diese Hälfte des Prozesses eine Hälfte der Brennstoffzelle. Dieser Teil befindet sich in der Rhizosphäre mit den Pflanzenwurzeln, Abfällen und Bakterien. Die andere Hälfte der Zelle liegt in sauerstoffreichem Wasser auf der gegenüberliegenden Seite einer durchlässigen Membran. In einer natürlichen Umgebung wird diese Membran durch die Boden-Wasser-Grenze gebildet [Quellen: Bennetto; Rabaey und Verstraete; Deng, Chen und Zhao].

In der zweiten Hälfte der Zelle verbinden sich freie Protonen und Elektronen mit Sauerstoff, um Wasser zu erzeugen, wie folgt:

6O₂ + 24H⁺ + 24e^- → 12H₂Ö

Protonen erreichen diese zweite Hälfte, indem sie über die Ionenaustauschermembran fließen und eine positive Nettoladung erzeugen - und ein elektrisches Potential, das Elektronen dazu bringt, entlang des externen Verbindungsdrahtes zu fließen. Voila! Elektrischer Strom [Quellen: Bennetto; Rabaey und Verstraete; Deng, Chen und Zhao].

Aber wieviel?

Mögliche Probleme ausmerzen

Die Bestimmung der Umweltauswirkungen von PMFCs erfordert weitere Untersuchungen in einer Vielzahl von Bereichen, einschließlich der Auswirkungen von Elektroden auf die Wurzelumgebung. Sie könnten beispielsweise die Nährstoffverfügbarkeit verringern oder die Fähigkeit einer Pflanze zur Abwehr von Infektionen verringern [Quelle: Deng, Chen und Zhao].

Darüber hinaus könnten PMFCs, da sie in einigen unserer am besten geschützten Gebiete - Feuchtgebieten und Ackerland - am besten funktionieren, einem strengen Umweltgenehmigungsverfahren ausgesetzt sein. Andererseits können Abwasser-MFC Ammonium oxidieren und Nitrate reduzieren, so dass es möglich ist, dass pflanzliche MFC das Risiko ausgleichen, indem sie Feuchtgebiete vor landwirtschaftlichen Abflüssen schützen [Quellen: Deng, Chen und Zhao; Müller; Tweed].

Ab 2012 produzieren PMFCs nicht viel Energie und arbeiten nur in aquatischen Umgebungen mit Pflanzen wie Schilfmannagrass (Glyceria maxima), Reis, gemeines Cordgras (Spartina anglica) und Riesenrohr (Arundo Donax) [Quellen: Deng, Chen und Zhao; PlantPower]. Wenn Sie auf ein Feld von PMFCs stoßen würden, wie das Dachfeld des niederländischen Instituts für Ökologie in Wageningen, würden Sie nie wissen, dass es sich nur um eine Sammlung von Pflanzen handelt, mit Ausnahme der bunten Kabel, die aus dem Boden herausragen [Quelle: Williams].

Ihre potenziellen Anwendungen bei der Bewältigung anderer globaler Nachhaltigkeitsprobleme, einschließlich der Belastung eines bereits überlasteten globalen Lebensmittelversorgungssystems durch Biokraftstoffe, inspirieren Forscher und mindestens ein Explorationsunternehmen, das 5,23-Millionen-Euro-Projekt PlantPower [Quellen: Deng Chen und Zhao; PlantPower; Tenenbaum].

Da PMFCs bereits an Wasserpflanzen arbeiten, müssen Landwirte und Dörfer ihre Reispflanzen auf Wasserbasis nicht entsorgen, um sie umzusetzen. In größerem Maßstab könnten Gemeinden PMFCs in Feuchtgebieten oder Gebieten mit schlechter Bodenqualität einrichten und so den Landwettbewerb zwischen Energie- und Nahrungsmittelproduktion vermeiden [Quelle: Strik et al.]. Fertighäuser wie Gewächshäuser könnten das ganze Jahr über Energie produzieren, aber die Stromerzeugung auf Ackerland würde von der Wachstumssaison abhängen [Quelle: PlantPower].

Die lokale Erzeugung von mehr Energie könnte die CO2-Emissionen senken, indem die Nachfrage nach Treibstoffschiffen verringert wird - selbst ein wichtiger Treibhausgasverursacher. Aber es gibt einen Haken, und er ist ziemlich bedeutsam: Selbst wenn PMFCs so effizient wie möglich werden, stehen sie immer noch vor einem Engpass - der photosynthetischen Effizienz und der Abfallproduktion der Anlage selbst.

Pflanzen sind überraschend ineffizient bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Biomasse. Diese Umwandlungsgrenze beruht teilweise auf Quantenfaktoren, die die Photosynthese beeinflussen, und teilweise auf der Tatsache, dass Chloroplasten nur Licht im 400-700-Nanometer-Band absorbieren, das etwa 45 Prozent der einfallenden Sonnenstrahlung ausmacht [Quelle: Miyamoto].

Die beiden am häufigsten vorkommenden Arten von Photosynthesepflanzen auf der Erde sind als C3 und C4 bekannt, die aufgrund der Anzahl der Kohlenstoffatome in den ersten Molekülen, die sie während der CO bilden, so genannt werden₂ Aufschlüsselung [Quellen: Seegren, Cowcer und Romeo; SERC]. Die theoretische Umwandlungsgrenze für C3-Pflanzen, die 95 Prozent der Pflanzen auf der Erde ausmachen, einschließlich Bäume, liegt bei nur 4,6 Prozent, während C4-Pflanzen wie Zuckerrohr und Mais näher an 6 Prozent steigen. In der Praxis erreicht jedoch jeder dieser Pflanzentypen im Allgemeinen nur 70 Prozent dieser Werte [Quellen: Deng, Chen und Zhao; Miyamoto; SERC].

Bei PMFCs geht wie bei jeder Maschine etwas Energie beim Betrieb der Werke verloren - oder in diesem Fall beim Anbau der Anlage. Von der durch Photosynthese aufgebauten Biomasse erreichen nur 20 Prozent die Rhizosphäre, und nur 30 Prozent davon stehen Mikroben als Nahrung zur Verfügung [Quelle: Deng, Chen und Zhao].

PMFCs gewinnen rund 9 Prozent der Energie aus dem daraus resultierenden mikrobiellen Stoffwechsel als Elektrizität zurück. Insgesamt entspricht dies einer PMFC-Solar-Elektro-Umwandlungsrate von nahezu 0,017 Prozent für C3-Anlagen ((70 Prozent der 4,6-Prozent-Umwandlungsrate) x 20 Prozent x 30 Prozent x 9 Prozent) und 0,022 Prozent für C4-Anlagen (0,70 x) 6,0 x 0,20 x 0,30 x 0,09) [Quellen: Deng, Chen und Zhao; Miyamoto; SERC].

Tatsächlich glauben einige Forscher, dass diese Annahmen das Potenzial von PMFCs unterschätzen könnten, was nur eine gute Nachricht für die Verbraucher sein kann.

Es ist hydromatisch

Das Interesse an Brennstoffzellen, mit denen Autos mehr Kilometer als nur mit Batteriestrom zurücklegen können und die sich leichter in großen Fahrzeugen implementieren lassen, stieg ab November 2012 weiter an [Quelle: Ko]. Obwohl Wasserstoff als umweltfreundlich erscheint, erfordert seine Produktion eine Menge Strom, was ihn alles andere als klimaneutral macht [Quelle: Wüst]. PMFCs, die auf natürliche Weise Wasserstoffgas produzieren, könnten Hoffnung auf eine wirklich umweltfreundliche Wasserstoffbrennstoffproduktion bieten.

Sie sehen zwei verschiedene Designs für PMFCs, die beide auf einem Dach in Wageningen, Niederlande, platziert wurden. Bild mit freundlicher Genehmigung von Marjolein Helder / Plant-e

Wie jede neue Technologie stehen PMFCs vor einer Reihe von Herausforderungen. Zum Beispiel brauchen sie ein Substrat, das gleichzeitig das Pflanzenwachstum und die Energieübertragung fördert - zwei Ziele, die manchmal uneins sind. Beispielsweise können pH-Unterschiede zwischen den beiden Zellhälften zu einem Verlust des elektrischen Potentials führen, da Ionen über die Membran "kurzgeschlossen" werden, um ein chemisches Gleichgewicht zu erreichen [Quelle: Helder et al.].

Wenn Ingenieure die Probleme lösen können, können PMFCs sowohl ein großes als auch ein vielfältiges Potenzial bieten. Es kommt darauf an, wie viel Energie sie produzieren können. Nach einer Schätzung von 2008 liegt diese magische Zahl bei etwa 21 Gigajoule (5.800 Kilowattstunden) pro Hektar (2,5 Acres) pro Jahr [Quelle: Strik et al.]. Neuere Forschungen haben geschätzt, dass die Zahl 1.000 Gigajoule pro Hektar betragen könnte [Quelle: Strik et al.]. Noch ein paar Fakten zur Perspektive [Quellen: BP; Europäische Kommission]:

• Ein Barrel Öl enthält ungefähr 6 Gigajoule chemische Energie.
• In Europa leben 13,7 Millionen Landwirte, wobei jeder Betrieb durchschnittlich 12 Hektar groß ist..
• Zum Vergleich: In Amerika leben 2 Millionen Landwirte mit durchschnittlich 180 Hektar.

Basierend auf diesen Zahlen würden 1 Prozent der US- und europäischen Ackerlandschaften, wenn sie in PMFCs umgewandelt würden, eine Schätzung von 34,5 Millionen Gigajoule (9,58 Milliarden Kilowattstunden) pro Jahr für Europa und 75,6 Millionen Gigajoule (20,9) ergeben Milliarden Kilowattstunden) jährlich für Amerika.

Zum Vergleich: Die 27 EU-Länder haben 2010 1.759 Millionen verbraucht Tonnen Öläquivalent (EVG) in Energie oder 74,2 Milliarden Gigajoule (20,5 Billionen Kilowattstunden). EVG ist eine standardisierte Einheit des internationalen Vergleichs, die der in einer Tonne Erdöl enthaltenen Energie entspricht [Quellen: Europäische Kommission; Universität].

In diesem vereinfachten Szenario liefern PMFCs einen Tropfen in einem sehr großen Energieeimer, aber es ist ein umweltfreundlicher Tropfen und ein Tropfen, der aus üppigen Landschaften anstelle von rauchenden Kraftwerken oder vogelzerstörenden Windparks erzeugt wird.

Außerdem ist es nur der Anfang. Die Forscher arbeiten bereits an effizienteren Bakterien, die Abfälle verschlingen, und zwischen 2008 und 2012 haben Fortschritte in der Substratchemie die elektrische Produktion in einigen PMFCs mehr als verdoppelt. PlantPower argumentiert, dass PMFCs nach ihrer Perfektion bis zu 20 Prozent der europäischen liefern könnten Primäre Energie -- das heißt, Energie, die aus nicht transformierten natürlichen Ressourcen gewonnen wird [Quelle: Øvergaard; PlantPower].

PMFCs müssen billiger und effizienter werden, bevor sie umfassend implementiert werden können, aber es sind Fortschritte zu verzeichnen. Viele MFCs sparen bereits Geld, indem sie Elektroden aus hochleitfähigem Kohlenstoffgewebe anstelle von Edelmetallen oder teurem Graphitfilz herstellen [Quellen: Deng, Chen und Zhao; Tweed]. Ab 2012 kostete der Betrieb eines Ein-Kubikmeter-Aufbaus unter Laborbedingungen 70 US-Dollar.

Wenn man ihr Potenzial zur Entfernung von Schadstoffen und zur Reduzierung von Treibhausgasen betrachtet, wer weiß? PMFCs könnten genug Investoren- und Regierungsinteresse wecken, um die Kraftwerke der Zukunft zu werden - oder den Samen für eine noch bessere Idee pflanzen [Quelle: Deng, Chen und Zhao].

Anmerkung der Autoren: Funktionsweise pflanzenmikrobieller Brennstoffzellen

Wenn Sie darüber nachdenken, bringt uns der Bau einer Batterie, die von bakteriellen Verdauungsprozessen befreit werden kann, Cyborgs und autarken Maschinen einen Schritt näher. Der menschliche Körper ist auf Darmbakterien angewiesen, um Nahrung in Energie umzuwandeln. Wenn wir diesen Prozess nutzen könnten, um Brennstoffzellen zu entsaften, könnten wir auch Körperimplantate wie Herzschrittmacher antreiben.

Forscher der Harvard Medical School und des Massachusetts Institute of Technology haben diese Linie bereits verwischt und einen Gehirnchip konstruiert, der mit Glukose betrieben wird und aus rezirkulierter Liquor cerebrospinalis gewonnen wird [Quelle: Rapoport, Kedzierski und Sarpeshkar]. Können Cyberhirne weit zurückliegen? (Nun ja, wahrscheinlich).

Stellen Sie sich vor: Wir könnten Maschinen bauen, die grasen! OK, das klingt vielleicht nicht so sexy wie Strahlenkanonen und Raketenschiffe, aber solche Maschinen könnten unbegrenzt im Feld aktiv bleiben, ohne dass eine Aufladung oder neue Batterien erforderlich sind. Eine Sammlung von MFCs könnte einen provisorischen Darm bilden und Strom aus pflanzlicher Glukose ziehen.

Sollte jemand diese Idee verfolgen, hoffe ich, dass er PMFCs einsetzen wird. Ich stelle mir Herden weißer Keramikroboter vor Salvia hispanica, und ich stelle die Frage:

Träumen Androiden von elektrischen Chia-Haustieren??

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Quellen

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