شارك
الرئيسية
2 دقائق 
يستمر البحث عن مصادر الطاقة البديلة والمتجددة، لاستبعاد الوقود الأحفوري والغاز الطبيعي، وعدم الاعتماد عليهما في توليد الكهرباء. ولإيجاد البديل، يتجه العالم نحو مصادر للطاقة طبيعية ومتجددة، وأحد أهم هذه المصادر “الكتلة الحيوية”، ويمكن اليوم الحصول على الطاقة من الكتلة الحيوية بعدة طرق، ومنها خلية الوقود الميكروبية.
ما هي خلية الوقود الميكروبية (MFC)؟
خلايا الوقود الميكروبية هي خلايا وقود حيوية، تستخدم البكتيريا أو الأحياء المجهرية لتحويل المواد العضوية إلى طاقة كهربائية.
تستقلب الكائنات الدقيقة المواد العضوية، ثم يتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام. يمكن أن تستقلب الكائنات الدقيقة داخل خلية الطاقة الميكروبية النفايات العضوية والمنتجات الثانوية الزراعية مثل السماد الطبيعي أو حطب الذرة أو القش، وبذلك يكون هذا النوع من خلايا الطاقة غير مكلف لكونه يعتمد على مواد نفايات منتجة بكثرة، ولا يستفاد منها عادة.
تتكون هذه الخلايا من غشاء خارجي يحتوي على بكتيريا معزولة داخله، وغشاء داخلي يفصل بين محلول مائي ومحلول مغذٍّ.
أوجد فكرة توليد الكهرباء من الميكروبات أول مرة أستاذ علم النبات في جامعة دورهام إم سي بوتر عام 1911، فقد نجح حينها بتوليد الكهرباء من الإشريكية القولونية. وبعد 20 عاماً، أنشأ بارنت كوهين أول خلايا وقود نصف ميكروبية عام 1931، قادرة على توليد تيار ضئيل شدته 2 ميلي أمبير.
وبحلول عام 1999، طوّر باحثون في كوريا الجنوبية خلايا وقود ميكروبية عززت الجدوى التجارية لها، من خلال التخلص من المواد الكيميائية الوسيطة المكلفة اللازمة لنقل الإلكترون.
اقرأ أيضاً: ما هو الوقود الإلكتروني ولماذا تعارض ألمانيا تعميمه؟
كيف تعمل خلايا الوقود الميكروبية؟
كغيرها من خلايا الوقود، تتكون خلية الوقود الكهربائية بشكلٍ أساسي من مصعد (أنود) موجب ومهبط (كاثود) سالب، موجود كل منهما في حجرة، يفصل بينهما غشاء تبادل البروتون، وهو مرشح صغير يسمح فقط للجزيئات المشحونة الموجبة الصغيرة جداً بالمرور من خلاله.
القطب السالب هو القطب الذي توجد فيه الكائنات الحية الدقيقة، وهو مغمور في المادة العضوية، ولا يوجد فيه أوكسجين. تتم فيه عملية الأكسدة الحيوية، حيث تتم إزالة الإلكترونات من المواد العضوية بواسطة الميكروبات التي يمكنها نقل الإلكترونات خارج خلاياها.
يتم توصيل القطبين الموجب والسالب بواسطة سلك، وتُنتقل الإلكترونات السالبة الناتجة من تفاعلات الأكسدة في حجرة الكاثود عبر السلك إلى القطب الموجب. أما الأنود فيُحاط بالعوامل المؤكسدة بما في ذلك الهواء والماء أو فيريسيانيد البوتاسيوم، وتمر أيونات الهيدروجين ذات الشحنة الموجبة المتولدة فيه نحو القطب السالب، وبالتالي إكمال الدارة الكهربائية.
يتحد عامل مؤكسد أو أوكسجين موجود في الأنود مع الهيدروجين والإلكترونات من الكاثود لإنتاج ماء نقي، وإكمال الدائرة. يمكن استبدل السلك بمصباح كهربائي مثلاً أو أي جهاز كهربائي آخر لتلبية احتياجاتك من الطاقة.
اقرأ أيضاً: لماذا يمثل الهيدروجين الأخضر بديلاً جذاباً للوقود الأحفوري؟
تطبيقات خلايا الوقود الميكروبية
لا يمكن لخلايا الوقود الميكروبية تشغيل أي جهاز كهربائي كغيرها من مصادر الطاقة، فهي تحتاج إلى تيار مستمر من المواد المغذية، لكن يمكن الاستفادة منها في عدة مجالات:
- توليد الطاقة من خلال النفايات القابلة للتحلل الحيوي ومعالجة مياه الصرف الصحي الغنية بالكربون.
- المساعدة في معالجة مياه الصرف الصحي والمعالجة الحيوية.
- مراقبة كمية المواد القابلة للتحلل الحيوي المتبقية في تيارات مياه الصرف الصحي.
- تشغيل أجهزة الاستشعار البيولوجية عن بُعد، والتي تعمل بالطاقة الذاتية.
- تحويل تيارات مياه الصرف الغنية بالكربون إلى غاز ميثان بجودة عالية.
- تشغيل المركبات التي تعمل بواسطة البكتيريا عن بُعد في الفضاء.
اقرأ أيضاً: الحرب الروسية الأوكرانية تبرز مدى اعتماد أوروبا على الوقود الأحفوري الروسي
لا تزال التيارات الكهربائية المتولدة من خلايا الوقود الميكروبية منخفضة نسبياً، وذلك لأن الإلكترونات المنبعثة أثناء التنفس الخلوي لا تنتقل بشكلٍ جيد من البكتيريا إلى القطب الموجب.
يمكن مستقبلاً تطوير هذه الخلايا عن طريق التلاعب بجينات سلسلة نقل الإلكترون لدى البكتيريا المستخدمة عبر الهندسة الوراثية، لزيادة فاعلية توليد الإلكترونات، وبالتالي زيادة شدة التيار الكهربائي.