মৃত্তিকা মাইক্রোবিয়াল ফুয়েল সেল (SMFCs): নতুন ডিজাইন পরিবেশ ও কৃষকদের উপকার করতে পারে 

The Soil Microbial Fuel সেল (SMFCs) use naturally occurring bacteria in the soil to generate electricity. As a long-term, decentralised source of renewable power, the SMFCs could be perpetually deployed for real-time monitoring of various environmental conditions and can also contribute to the growth of precision কৃষি and smart cities. However, despite being in existence for over a century, the practical application of SMFCs has been nearly non-existent due to inconsistency in power output. Currently, there is no SMFC that can generate electricity consistently outside high moisture watery conditions. In a recent study, the researchers created and compared different design versions and found that the vertical cell design improves performance and makes SMFCs more resilient to changes in soil moisture.   

মাইক্রোবিয়াল জ্বালানি কোষ (MFCs) are bioreactors that produce electricity by converting the energy in the chemical bonds of জৈব compounds into electrical energy through biocatalysis by microbes. The electrons released in the anode compartment by bacterial oxidation of substrate are transferred to cathode where they combine with oxygen and hydrogen ions.  

বায়বীয় অবস্থার অধীনে জৈব রাসায়নিক প্রতিক্রিয়া, উদাহরণস্বরূপ, সাবস্ট্রেট হিসাবে অ্যাসিটেটের জন্য: 

অ্যানোডের অক্সিডেশন অর্ধ-প্রতিক্রিয়া 

CH₃সিওও^- + + 3H₂O → CO₂ +এইচসিও₃^- + + 8H⁺ +8ই^-  

ক্যাথোডে অর্ধ-প্রতিক্রিয়া হ্রাস 

2 হে ₂ + 8 এইচ ⁺ + 8 ই ^-   H 4 এইচ ₂ O 

অ্যানেরোবিক পরিবেশে, এমএফসিগুলি বিদ্যুৎ উৎপাদনের জন্য জৈববর্জ্যকে সাবস্ট্রেট হিসাবে ব্যবহার করতে পারে। 

টেকসই শক্তির পরিবেশগত সমস্যাগুলির সমাধান হিসাবে পরিবেশন করার ক্ষমতা MFC-এর রয়েছে, বৈশ্বিক উষ্ণতা এবং জৈববর্জ্য ব্যবস্থাপনা। সবুজ অবকাঠামো, তৃণভূমি, জলাভূমি বা ভূগর্ভস্থ অঞ্চলে যেখানে নিয়মিত রাসায়নিক ব্যাটারি এবং সৌর প্যানেলগুলি প্রত্যাশার কম হয় সেখানে এটির প্রয়োগের জন্য একটি শক্ত কেস রয়েছে। এই অঞ্চলে, সৌর প্যানেল রাতে কাজ করে না এবং সাধারণত রাসায়নিক উপাদানগুলি ময়লা বা গাছপালা দ্বারা আবৃত থাকে ব্যাটারি leach into the environment. The Soil Microbial Fuel সেল (SMFCs) come as a sustainable source of energy in such areas in farming, grassland, forest and wasteland to power low energy devices.  

The Soil Microbial Fuel Cells (SMFCs) use naturally occurring bacteria in the soil to generate electricity. Under optimal conditions, SMFCs can produce up to 200 μW of power with a voltage of 731 mV. As a long-term, decentralised source of renewable power, the SMFCs could be perpetually deployed for real-time monitoring of various environmental conditions and guide policy. These can also contribute to the growth of smart cities and খামারে.  

যাইহোক, এক শতাব্দীরও বেশি সময় ধরে বিদ্যমান থাকা সত্ত্বেও, স্থল স্তরে SMFC-এর ব্যবহারিক প্রয়োগ খুবই সীমিত। বর্তমানে, এমন কোনো SMFC নেই যা উচ্চ আর্দ্রতার জলযুক্ত অবস্থার বাইরে ধারাবাহিকভাবে বিদ্যুৎ উৎপাদন করতে পারে। পাওয়ার আউটপুটের অসঙ্গতি পরিবেশগত অবস্থা, মাটির আর্দ্রতা, মাটির ধরন, মাটিতে বসবাসকারী জীবাণু ইত্যাদির পার্থক্যের জন্য দায়ী করা হয় তবে মাটির আর্দ্রতার পরিবর্তনগুলি পাওয়ার আউটপুটের সামঞ্জস্যের উপর সর্বাধিক প্রভাব ফেলে। নিয়মিত পাওয়ার আউটপুটের জন্য কোষগুলিকে পর্যাপ্ত পরিমাণে হাইড্রেটেড এবং অক্সিজেনযুক্ত থাকতে হবে যা শুকনো ময়লা মাটির নিচে চাপা দিলে একটি কঠিন সমস্যা হতে পারে।   

উল্লম্ব কোষের নকশা কর্মক্ষমতা উন্নত করে এবং SMFC-কে মাটির আর্দ্রতার পরিবর্তনের জন্য আরও স্থিতিস্থাপক করে তোলে।  

একটি সাম্প্রতিক সমীক্ষা (একটি 2-বছর-দীর্ঘ পুনরাবৃত্ত নকশা প্রক্রিয়ার সাথে সম্মিলিত নয় মাসের SMFC স্থাপনার ডেটা) পদ্ধতিগতভাবে সাধারণ ডিজাইন নির্দেশিকাগুলিতে পৌঁছানোর জন্য সেল ডিজাইনগুলি পরীক্ষা করেছে৷ গবেষণা দলটি ঐতিহ্যগত নকশা সহ চারটি ভিন্ন সংস্করণ তৈরি এবং তুলনা করেছে যেখানে ক্যাথোড এবং অ্যানোড উভয়ই একে অপরের সমান্তরাল। ফুয়েল সেলের উল্লম্ব নকশা (সংস্করণ 3: অ্যানোড ওরিয়েন্টেশন অনুভূমিক এবং ক্যাথোড ওরিয়েন্টেশন লম্ব) সেরা পারফরম্যান্স হিসাবে দেখা গেছে। এটি প্লাবিত অবস্থা থেকে কিছুটা শুষ্ক অবস্থার আর্দ্রতা পরিসরে ভাল কাজ করেছে।  

উল্লম্ব নকশায়, অ্যানোড (ব্যাকটেরিয়া দ্বারা নির্গত ইলেকট্রনগুলিকে ক্যাপচার করার জন্য কার্বনের তৈরি) মাটির পৃষ্ঠের লম্বভাবে আর্দ্র মাটিতে সমাহিত হয় যখন ক্যাথোড (একটি নিষ্ক্রিয়, পরিবাহী ধাতু দিয়ে তৈরি) ভূমিতে অনুভূমিকভাবে অ্যানোডের উপরে উল্লম্বভাবে বসে থাকে। স্তর যেখানে অক্সিজেন অর্ধেক প্রতিক্রিয়া হ্রাস করার জন্য সহজেই উপলব্ধ।  

নকশার জন্য পাওয়ার আউটপুট পুরো সময়কাল জুড়ে উল্লেখযোগ্যভাবে বেশি ছিল যখন সেলটি জলে প্লাবিত ছিল। এটি সম্পূর্ণরূপে পানির নিচের অবস্থা থেকে কিছুটা শুষ্ক (ভলিউম অনুসারে 41% জল) পর্যন্ত ভালভাবে পরিচালিত হয়েছিল তবে সক্রিয় থাকার জন্য এটিতে এখনও উচ্চ 41% ভলিউম্যাট্রিক ওয়াটার কন্টেন্ট (VWC) প্রয়োজন ছিল।  

এই অধ্যয়নটি আর্দ্রতা পরিবর্তনের সামঞ্জস্য এবং স্থিতিস্থাপকতার উন্নতির দিকে SMFC-এর নকশার দিক সম্পর্কিত প্রশ্নের সমাধান করে। যেহেতু লেখকরা সকল ডিজাইন, টিউটোরিয়াল এবং সিমুলেশন টুলগুলি জনসাধারণের জন্য ব্যবহার এবং নির্মাণের জন্য প্রকাশ করেছেন, আশা করি, এটি অদূর ভবিষ্যতে নির্ভুল চাষের মতো বিভিন্ন ক্ষেত্রে ব্যাপক অ্যাপ্লিকেশনে অনুবাদ করা উচিত।  

*** 

তথ্যসূত্র:  

1. বিশ্বনাথন এএস, 2021। মাইক্রোবিয়াল ফুয়েল সেল: নতুনদের জন্য একটি ব্যাপক পর্যালোচনা। 3 বায়োটেক। 2021 মে; 11(5): 248. অনলাইনে প্রকাশিত 01 মে 2021। DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. দশ বি., এট আল 2024. মৃত্তিকা চালিত কম্পিউটিং: বাস্তবিক মৃত্তিকা মাইক্রোবিয়াল ফুয়েল সেল ডিজাইনের জন্য ইঞ্জিনিয়ারের গাইড। প্রকাশিত: 12 জানুয়ারী 2024। ইন্টারেক্টিভ, মোবাইল, পরিধানযোগ্য এবং সর্বব্যাপী প্রযুক্তিতে ACM-এর কার্যক্রম। ভলিউম 7 সংখ্যা 4 অনুচ্ছেদ নং: 196pp 1–40। DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. নর্থওয়েস্টার্ন ইউনিভার্সিটি। খবর-ময়লা-চালিত জ্বালানী কোষ চিরকাল চলে। 12 জানুয়ারী 2024 তারিখে পোস্ট করা হয়েছে। এ উপলব্ধ https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***