Si stima che la popolazione mondiale raggiungerà i 9,5 miliardi entro il 2050, ed in un pianeta Terra con un grande problema di inquinamento e cambiamento climatico, in aumento ogni giorni, la sovrappopolazione non è certo di aiuto.
Un’idea che ha preso piede negli ultimi anni è quella di generare elettricità utilizzando i batteri, in dispositivi, chiamati celle a combustibile microbiche (MFC). Queste celle si basano sulla capacità di alcuni microrganismi, presenti in natura che hanno la capacità di “respirare” i metalli, scambiando elettroni per creare elettricità.
Il processo può essere alimentato utilizzando sostanze chiamate substrati, che includono materiali organici presenti nelle acque reflue. Al momento le celle a combustibile microbiche sono in grado di generare elettricità per alimentare piccoli dispositivi come calcolatrici, piccoli ventilatori e LED, ad esempio sono state alimentate le luci di un mini albero di Natale utilizzando “acque reflue simulate”. Ma se la tecnologia viene ampliata, è molto promettente.
Come funzionano le celle a combustibile microbiche
Gli MFC utilizzano un sistema di anodi e catodi: elettrodi che fanno passare una corrente in entrata o in uscita. I sistemi MFC comuni sono costituiti da una camera anodica e una camera catodica separate da una membrana. I batteri crescono sull’anodo e convertono i substrati in anidride carbonica, protoni ed elettroni.
Gli elettroni prodotti vengono quindi trasferiti tramite un circuito esterno alla camera catodica, mentre i protoni passano attraverso la membrana. Nella camera del catodo, una reazione tra i protoni e gli elettroni consuma ossigeno e forma l’acqua. E finché i substrati vengono convertiti continuamente, gli elettroni fluiranno, e si creerà l’elettricità.
I vantaggi dell’elettricità tramite MFC
La generazione di elettricità tramite MFC presenta una serie di vantaggi: i sistemi possono essere installati ovunque; creano meno “fanghi” rispetto ai metodi convenzionali di trattamento delle acque reflue, come i sistemi a fanghi attivi; possono essere su piccola scala ma un design modulare può essere utilizzato per costruire sistemi più grandi; hanno un’elevata tolleranza alla salinità; e possono funzionare a temperatura ambiente.
La disponibilità di un’ampia gamma di substrati rinnovabili che possono essere utilizzati per generare elettricità negli MFC ha il potenziale per rivoluzionare la produzione di elettricità in futuro. Tali substrati includono l’urina, la materia organica nelle acque reflue, le sostanze secrete dalle piante viventi nel terreno, i rifiuti inorganici come i solfuri e persino gli inquinanti gassosi. Ci sono principalmente quattro vantaggi, vediamo quali sono.
Servizi igienici come potenziali centrali elettriche
La materia biodegradabile nei materiali di scarto come le feci e l’urina può essere convertita in elettricità. Ciò è stato dimostrato in una latrina microbica a celle a combustibile in Ghana, che ha suggerito che i servizi igienici potrebbero in futuro essere potenziali centrali elettriche .
La latrina, che ha funzionato per due anni, è stata in grado di generare 268 nW/m² di elettricità, sufficienti per alimentare una luce LED all’interno della latrina, rimuovendo l’azoto dalle urine e compostando le feci. Per i luoghi senza rete elettrica o per i campi profughi, l’uso dei rifiuti nelle latrine per produrre elettricità potrebbe essere davvero rivoluzionario.
Gli essudati delle radici delle piante
Un altro substrato rinnovabile e sostenibile che gli MFC potrebbero utilizzare per generare elettricità sono gli essudati delle radici delle piante, che vengono chiamati MFC vegetali. Quando le piante crescono producono carboidrati come il glucosio, alcuni dei quali vengono trasudati nel sistema radicale. I microrganismi vicino alle radici convertono i carboidrati in protoni, elettroni e anidride carbonica.
In un impianto MFC, i protoni vengono trasferiti attraverso una membrana e si ricombinano con l’ossigeno per completare il circuito di trasferimento di elettroni. Collegando un carico al circuito, l’elettricità generata può essere imbrigliata.
Gli impianti MFC potrebbero rivoluzionare la produzione di elettricità in comunità isolate che non hanno accesso alla rete. Nelle città, le strade potrebbero essere illuminate usando gli alberi.
Celle di desalinizzazione microbica
Un’altra variante delle celle a combustibile microbiche sono le celle di desalinizzazione microbica . Questi dispositivi utilizzano i batteri per generare elettricità, ad esempio dalle acque reflue, dissalando contemporaneamente l’acqua. L’acqua da desalinizzare viene posta in una camera inserita tra le camere anodiche e catodiche degli MFC utilizzando membrane di ioni caricati negativamente (anione) e positivamente (catione).
Quando i batteri nella camera anodica consumano l’acqua di scarico, i protoni vengono rilasciati. Questi protoni non possono passare attraverso la membrana anionica, quindi gli ioni negativi si spostano dall’acqua salata nella camera anodica. Al catodo i protoni vengono consumati, quindi gli ioni caricati positivamente si spostano dall’acqua salata alla camera del catodo, dissalando l’acqua nella camera centrale. Gli ioni rilasciati nelle camere anodiche e catodiche aiutano a migliorare l’efficienza della generazione di elettricità.
La desalinizzazione dell’acqua convenzionale è attualmente molto energivora e quindi costosa. Un processo che raggiunga la desalinizzazione su larga scala producendo (non consumando) elettricità sarebbe rivoluzionario.
Migliorare la resa del gas naturale
La digestione anaerobica , dove i microrganismi vengono utilizzati per abbattere la materia biodegradabile o di scarto senza bisogno di ossigeno, viene utilizzata per recuperare energia dalle acque reflue producendo biogas che è principalmente metano, l’ingrediente principale del gas naturale. Ma questo processo è solitamente inefficiente.
La ricerca suggerisce che i gruppi microbici utilizzati all’interno di questi digestori, condividono gli elettroni, quello che è stato soprannominato trasferimento di elettroni interspecie, aprendo la possibilità che possano usare energia positiva per influenzare il loro metabolismo.
Fornendo una piccola tensione ai digestori anaerobici, un processo chiamato elettrometanogenesi, la resa in metano (e quindi l’elettricità che potrebbe essere recuperata dalle centrali termiche ed elettriche) può essere notevolmente migliorata.
Studi futuri per missioni spaziali
Sebbene le celle a combustibile microbiche siano in grado di generare elettricità per alimentare piccoli dispositivi, i ricercatori stanno studiando modi per aumentare le dimensioni dei reattori per aumentare la quantità di energia che possono generare e per comprendere ulteriormente come funziona il trasferimento di elettroni extracellulari.
Alcune start-up come Robial e Plant-e stanno iniziando a commercializzare celle a combustibile microbiche. In futuro, le celle a combustibile microbiche potrebbero anche essere utilizzate per generare elettricità nei sistemi di supporto vitale rigenerativo durante le missioni spaziali umane a lungo termine. Siamo agli inizi, ma la tecnologia è molto promettente.
