Controlled Substrate Crossover from Cathode to Anode for Long-Term Autonomous Operation of Microbial Fuel Cells: A Transport-Reaction Modeling Study

एक जार के भीतर छिपे एक नन्हे, जीवित बिजली घर की कल्पना कीजिए। यह वह बैटरी नहीं है जिसे आप दुकान से खरीदते हैं; यह एक माइक्रोबियल फ्यूल सेल (MFC) है। इसे एक हाई-टेक कैंपफायर (अलाव) के रूप में सोचें जहाँ ईंधन लकड़ी नहीं, बल्कि जैविक कीचड़ (organic sludge) है, और आग लपटें नहीं, बल्कि सूक्ष्म बैक्टीरिया का एक समुदाय है। ये बैक्टीरिया कीचड़ को खाते हैं और इस प्रक्रिया में इलेक्ट्रॉन छोड़ते हैं—बिजली के नन्हे कण। यदि आप उन इलेक्ट्रॉनों को पकड़ लें और उन्हें एक तार के माध्यम से निर्देशित करें, तो आपको शक्ति प्राप्त होती है।

इन बिजली घरों को काम करने के लिए, उन्हें दो अलग-अलग कमरों की आवश्यकता होती है: एक "रसोई" (एनोड) जहाँ बैक्टीरिया भोजन करते हैं और बिजली पैदा करते हैं, और एक "वेंट" (कैथोड) जहाँ इलेक्ट्रॉन अपनी यात्रा पूरी करने के लिए जाते हैं। इन कमरों के बीच एक विशेष दीवार होती है जिसे मेम्ब्रेन (झिल्ली) कहा जाता है। आमतौर पर, वैज्ञानिक इस दीवार को लेकर चिंतित रहते हैं क्योंकि उन्हें "रिसाव" (leaks) का डर होता है। यदि रसोई से भोजन गलती से दीवार के पार वेंट की ओर फिसल जाए, तो रसोई में मौजूद बैक्टीरिया भूखे रह जाते हैं, और बिजली घर लड़खड़ाने लगता है। यह एक शेफ के समान है जो अपने सामान को अगले कमरे में खो देता है; भोजन कभी पक ही नहीं पाता, और बिजली रुक जाती है। लेकिन क्या होगा यदि वह रिसाव एक गलती नहीं, बल्कि एक गुप्त सुरक्षा वाल्व हो? यही वह बड़ा सवाल है जो यह शोध पत्र पूछता है: क्या भोजन का थोड़ा सा हिस्सा दीवार के पार फिसलना वास्तव में बैक्टीरिया को जीवित रख सकता है जब मुख्य खाद्य आपूर्ति समाप्त हो जाती है?

यह शोध पत्र इस बारे में हमारी सोच को पूरी तरह बदल देता है कि हम इन रिसावों को कैसे देखते हैं। इस बात को एक बुराई के रूप में मानने के बजाय कि कैथोड से एनोड की ओर भोजन का प्रवाह ऊर्जा को बर्बाद करने वाला एक नुकसान है, लेखक सुझाव देते हैं कि हम इसका उपयोग बिजली घर को हमेशा के लिए चालू रखने के एक चतुर तरीके के रूप में कर सकते हैं, भले ही हम इसे खिलाना भूल जाएं। उन्होंने इस विचार का परीक्षण करने के लिए एक गणितीय मॉडल—इस प्रणाली का एक डिजिटल सिमुलेशन—बनाया। उन्होंने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने यह संतुलन बनाने के लिए समीकरणों का उपयोग किया कि दीवार के माध्यम से भोजन कितनी तेजी से चलता है और बैक्टीरिया को जीवित रहने के लिए कितने भोजन की आवश्यकता होती है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि भोजन का यह "बैक-लीक" (पीछे की ओर रिसाव) बिजली घर के लिए तीन अलग-अलग मनोदशाएं (moods) बनाता है। यदि रिसाव बहुत छोटा है, तो बैक्टीरिया भूखे मर जाते हैं और बिजली खत्म हो जाती है (एक "भुखमरी-प्रधान" अवस्था)। यदि रिसाव बहुत बड़ा है, तो यह रसायन विज्ञान को बिगाड़ देता है और ऊर्जा बर्बाद करता है (एक "क्रॉसओवर-प्रधान" अवस्था)। लेकिन, वे सुझाव देते हैं कि बीच में एक 'स्वीट स्पॉट' (उपयुक्त बिंदु) है—जिसे वे "संतुलित स्वायत्त" (balanced autonomous) अवस्था कहते हैं—जहाँ रिसाव इतना सही होता है कि बिना किसी अतिरिक्त मदद के बैक्टीरिया को जीवित रख सके।

इस स्वीट स्पॉट को खोजने के लिए, टीम ने मापने का एक नया तरीका पेश किया जिसे मेंटेनेंस क्रॉसओवर डैमहोर नंबर (maintenance crossover Damkohler number) (या संक्षेप में Da_m) कहा जाता है। इस संख्या को एक "उत्तरजीविता डायल" (survival dial) के रूप में समझें। यदि डायल बहुत अधिक सेट है, तो बैक्टीरिया भूखे हैं। यदि यह बहुत कम सेट है, तो सिस्टम क्रॉसओवर से भर जाता है। लेकिन यदि आप डायल को 1 के आसपास ट्यून करते हैं, तो सिस्टम एक सुखद संतुलन पा लेता है जहाँ बैक्टीरिया को लंबी अवधि तक जीवित रहने के लिए रिसाव से पर्याप्त भोजन मिलता है।

शोध पत्र सुझाव देता है कि आप जिस प्रकार की दीवार (मेम्ब्रेन) चुनते हैं, वही सबसे महत्वपूर्ण 'नॉब' (नियंत्रक) है। सेपरेटर के गुणों को बदलकर, आप नियंत्रित कर सकते हैं कि कितना भोजन फिसल कर वापस आता है। लेखकों के सिमुलेशन दिखाते हैं कि दीवार के डिजाइन के आधार पर यह क्रॉसओवर फ्लक्स (प्रवाह) बहुत अधिक भिन्न हो सकता है। वे तर्क देते हैं कि एक पूर्ण, लीक-प्रूफ दीवार बनाने के बजाय, हमें ऐसी दीवारें डिजाइन करनी चाहिए जो ठीक उतना ही भोजन वापस आने दे जितना आवश्यक हो। यह दृष्टिकोण एक समस्या (रिसाव) को एक समाधान (सतत जीवन) के रूप में पुनर्गठित करता है, जो MFCs को लंबे समय तक खुद से चलने के लिए डिज़ाइन करने का एक नया तरीका प्रदान करता है। यह एक ऐसी अवधारणा है जो बताती है कि एक स्व-संचालित बिजली घर की कुंजी थोड़ा नियंत्रित अराजकता (controlled chaos) हो सकती है।