Hampir semua makhluk hidup di planet ini menggunakan tenaga surya. Mekanismenya sederhana: tumbuhan mengubah sinar matahari menjadi energi kimia. Hewan memakan tumbuhan. Manusia memakan hewan atau tumbuhan. Kita membakar kayu, batu bara, atau tanaman olahan untuk mendapatkan panas. Minyak bumi hanyalah biomassa purba yang menjadi fosil selama jutaan tahun. Bahkan biofuel generasi pertama berasal dari jagung, tebu, atau minyak nabati. Ini adalah lingkaran tertutup.
Lingkarannya rusak.
Minyak bumi berantakan. Hal ini menciptakan ketidakstabilan geopolitik. Itu mencemari. Biofuel generasi pertama bukanlah karbon netral. Mereka membutuhkan pembakaran bahan bakar lain untuk menyulingnya. Masalah yang lebih besar adalah penggunaan lahan. Jika tanaman pangan diubah menjadi bahan bakar, pasokan akan berkurang. Harga melonjak. Kelaparan meningkat. Ketegangan politik menyusul.
Apakah ada cara yang lebih baik?
Para peneliti melihat dari sudut pandang yang berbeda. Mereka menginginkan energi dari tanaman tanpa membunuhnya. Mereka ingin memanfaatkan lahan yang tidak cocok untuk pangan. Mereka ingin mikroba melakukan pekerjaan berat. Inilah konsep inti di balik sel bahan bakar mikroba tumbuhan.
Tanaman mendapat sorotan. Mikroba yang disalahkan. Keduanya penting. Cyanobacteria membentuk dasar rantai makanan. Mikroba usus membantu kita mencerna. Bakteri tanah mendaur ulang sampah menjadi nutrisi bagi tanaman. Selama beberapa dekade, para ilmuwan mempelajari metabolisme mikroba ini. Mereka ingin memanen energinya.
Pada tahun 1970an, mereka memiliki prototipe.
Perangkat awal ini disebut sel bahan bakar mikroba. Mereka menghasilkan listrik melalui reaksi kimia yang didorong oleh mikroba. Outputnya berdaya rendah. Tapi itu terbarukan. MFC dapat memantau polutan. Mereka dapat membantu membersihkan air. Mereka dapat melakukan desalinasi. Mereka dapat memberi daya pada sensor jarak jauh.
Ada batasannya.
MFC membutuhkan makanan. Biasanya makanan tersebut adalah sampah organik yang ada di air limbah. Para peneliti menyadari sesuatu yang sederhana. Tumbuhan mengeluarkan gula ke dalam tanah. Ini adalah pemborosan dari sudut pandang pabrik. Ini adalah bahan bakar bagi mikroba tanah. Ini adalah prasmanan bertenaga surya yang tiada habisnya. Mengapa mengumpulkan sampah jika Anda bisa menyambungkannya ke akar yang masih hidup?
Ide itu mulai berlaku.
Pada tahun 2008, makalah mulai bermunculan. MFC bertenaga pembangkit pertama diumumkan. Potensinya jelas. Teknologi ini dapat diskalakan. Di daerah berkembang, desa bisa mandiri. Pertanian bisa menghasilkan tenaga sendiri. Di negara-negara maju, kita bisa mengurangi jejak karbon. Kita bisa mendapatkan listrik dari lahan basah. Kita bisa menggunakan rumah kaca. Kita bisa mengintegrasikannya ke dalam biorefinery.
Kedengarannya terlalu bagus untuk menjadi kenyataan.
Tapi ini hanyalah putaran baru dari ide lama. Ini adalah sel bahan bakar mikroba tumbuhan. Warnanya hijau. Mereka diam. Mereka baru saja memulai.
Kimia Kekuatan Hidup
Anda mungkin berpikir listrik membutuhkan kabel dan jaringan listrik, namun alam telah menjalankan pembangkit listrik mikro sendiri di bawah kaki kita selama ribuan tahun. Ini bukan sihir. Itu hanya biologi dengan sentuhan listrik.
Tumbuhan adalah mesin fotosintesis yang sibuk. Mereka mengambil sinar matahari, mengubahnya menjadi energi kimia, dan menyimpannya sebagai gula. Tapi mereka tidak menyimpan semuanya. Mereka mengeluarkan limbah melalui akarnya ke rhizosfer. Itu adalah zona tanah yang dipengaruhi langsung oleh sekresi akar. Bakteri tinggal di sana. Mereka memakan gula dan protein yang dikeluarkan tanaman.
Hubungan ini adalah mesin dari Plant Microbial Fuel Cell (PMFC). Pabrik menyediakan bahan bakar. Bakteri menyediakan mekanismenya. Selama matahari bersinar dan tanaman tetap hijau, bakteri bisa mendapatkan makanannya. Dan makanan itu menghasilkan listrik.
Ya, hukum pertama termodinamika masih berlaku. Anda tidak bisa mendapatkan energi dari ketiadaan. Matahari adalah sumber eksternal. Namun konversi terjadi tepat di dalam tanah.
Bagaimana Mikroba Mengubah Makanan menjadi Arus
Jadi bagaimana makan gula bisa menimbulkan percikan api? Itu kimia. Secara khusus, ini tentang membagi reaksi menjadi dua.
Dalam model pembakaran atau respirasi standar, glukosa dan oksigen bereaksi menghasilkan karbon dioksida dan air. Persamaannya terlihat bersih:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
Namun sel tidak dapat melakukan hal tersebut dalam satu lompatan besar. Mereka memecahnya menjadi beberapa langkah. Beberapa dari langkah peralihan tersebut melepaskan elektron. Elektron adalah apa yang kita butuhkan untuk arus.
Alih-alih reaksi penuh, proses mikroba terpecah seperti ini:
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e-
Perhatikan elektron (e-) di sisi kanan? Itu adalah agen gratis. Mereka ingin pergi ke suatu tempat. Mereka ingin bergabung dengan oksigen.
Pemisahan ini mendefinisikan dua bagian sel bahan bakar.
Paruh pertama terjadi di rhizosfer. Tempatnya gelap, basah, dan penuh bakteri yang menguraikan eksudat akar. Akar tanaman, limbah, dan mikroba berbagi ruang ini.
Bagian kedua berada di sisi lain dari membran permeabel. Di alam, membran tersebut merupakan batas antara tanah dan air. Di sana kaya oksigen.
Sirkuit Tertutup
Di sinilah keajaiban terjadi. Proton (H+) dan elektron (e-) dari babak pertama perlu bertemu oksigen untuk menyelesaikan reaksi.
Di ruang kedua, mereka bergabung dengan oksigen menghasilkan air:
6O2 + 24H+ + 24e- → 12H2O
Proton mengalir melintasi membran penukar ion. Hal ini menciptakan muatan positif bersih. Elektron? Mereka tidak bisa melewati membran. Jadi mereka mengambil jalan jauh. Mereka mengalir melalui kabel eksternal untuk sampai ke sisi oksigen.
Aliran itu adalah arus. Voila. Anda baru saja menyalakan sesuatu menggunakan limbah tanaman.
Mengatasi Potensi Masalah
Kedengarannya sempurna. Energi bersih. Tidak ada bagian yang bergerak. Tapi ada masalah.
Kami tidak sepenuhnya memahami bagaimana elektroda mempengaruhi lingkungan akar. Memasukkan probe logam ke dalam tanah akan mengubah segalanya. Hal ini dapat mengurangi ketersediaan nutrisi. Ini mungkin melemahkan sistem kekebalan tanaman. Jika tanaman mati maka sel bahan bakar akan berhenti.
Lalu ada masalah lokasi. PMFC bekerja paling baik di lahan basah dan lahan pertanian. Ini adalah lahan yang dilindungi. Persetujuan lingkungan untuk memasang elektroda di lahan basah yang dilindungi akan menjadi mimpi buruk hukum.
Namun, ada potensi keuntungannya. Sel bahan bakar mikroba dalam air limbah dapat mengoksidasi amonium dan mereduksi nitrat. Limpasan pertanian merupakan masalah besar bagi lahan basah. Jika PMFC dapat membantu membersihkan air sekaligus menghasilkan listrik, hal ini dapat mengimbangi risiko lingkungan.
Ini adalah trade-off. Kami sedang mencari teknologi yang dapat menyembuhkan lahan sekaligus memberi energi pada lahan tersebut. Namun kita perlu tahu persis apa yang dilakukan elektroda-elektroda tersebut pada akar sebelum kita menanamnya di mana-mana.
Ilmunya solid. Rekayasanya berantakan. Masa depan berlumpur.
Batasan Listrik Ramah Lingkungan
Lihatlah setup PMFC pada tahun 2012. Terlihat seperti sebuah taman. Khususnya, taman lahan basah. Reed mannagrass, padi, cordgrass, atau buluh raksasa tumbuh di tanah. Kabel berwarna-warni keluar dari tanah. Itulah satu-satunya petunjuk bahwa energi sedang dihasilkan.
Mereka tidak menghasilkan banyak tenaga. Belum. Mereka hanya bekerja di air.
Namun ilmu pengetahuan sedang bergerak. Para peneliti didorong oleh masalah yang lebih besar: konflik pangan-energi. Biofuel membebani pasokan pangan global. PMFC menawarkan jalan keluar. Mereka tidak perlu mengeringkan sawah. Petani bisa terus menanam pangan. Desa dapat memasang sistem ini di lahan basah. Daerah dengan tanah yang buruk dapat menghasilkan listrik tanpa mencuri lahan subur.
Rumah kaca dapat menjalankannya sepanjang tahun. Bidang terbuka? Itu tergantung pada musim.
Energi lokal mengurangi kebutuhan pengiriman bahan bakar. Lebih sedikit pengiriman berarti lebih sedikit emisi karbon. Kedengarannya seperti sebuah kemenangan.
Ada hambatan. Yang besar. Tanaman itu sendiri.
Fotosintesis tidak efisien. Kloroplas hanya menyerap cahaya pada kisaran 400-700 nanometer. Itu berarti 45 persen radiasi matahari. Sisanya memantul. Tanaman menyia-nyiakan sisanya.
Pabrik C3 dan C4 menangani hal ini secara berbeda. Tumbuhan C3 membentuk molekul tiga karbon terlebih dahulu. Mereka merupakan 95 persen spesies. Pohon, gandum, beras. Efisiensi teoretisnya dibatasi pada 4,6 persen. Kenyataannya, mereka mencapai 70 persen dari jumlah tersebut. Sekitar 3,2 persen.
tanaman C4? Jagung. Tebu. Mereka membentuk molekul empat karbon. Mereka lebih baik. Batas teoritis: 6 persen. Batas praktisnya: sekitar 4,2 persen.
Lalu muncullah tanah. Hanya 20 persen biomassa tanaman yang mencapai zona perakaran. Rizosfer. Dari jumlah tersebut, hanya 30 persen yang menjadi makanan mikroba. Mikroba melakukan tugasnya. Mereka memuntahkan elektron.
PMFC menangkap 9 persen energi mikroba tersebut sebagai listrik.
Lakukan perhitungan.
Untuk tanaman C3: 0,70 x 0,046 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Hasilnya: konversi tenaga surya menjadi listrik sebesar 0,017 persen.
Untuk tanaman C4: 0,70 x 0,060 x 0,20 x 0,30 x 0,09.
Hasilnya: 0,022 persen.
Angka kecil. Namun beberapa peneliti menganggap model ini terlalu pesimistis. Jika potensinya lebih tinggi, konsumenlah yang diuntungkan.
Harapan Hidrogen
Sel bahan bakar mendapatkan daya tarik. Mereka memberi mobil lebih banyak jangkauan daripada baterai. Mereka lebih cocok untuk kendaraan besar. Minat melonjak pada akhir tahun 2012.
Sel bahan bakar hidrogen tampak hijau. Sebenarnya tidak. Membuat hidrogen membutuhkan listrik dalam jumlah besar. Prosesnya tidak netral karbon. Itu menggagalkan tujuannya.
PMFC menghasilkan gas hidrogen secara alami. Melalui proses mikroba yang sama yang menghasilkan listrik. Ini bisa menjadi kunci produksi hidrogen yang benar-benar ramah lingkungan.
Dari Minyak Bumi ke Mata Bajak
Peralihan dari minyak ke tanaman bukan hanya soal bahan bakar. Ini tentang penggunaan lahan. Ini tentang menghentikan persaingan antara pangan dan energi. Lahan basah menjadi pembangkit listrik. Sawah menjadi sistem hibrida. Tanah bekerja lebih keras. Jaringan menjadi lebih bersih.
Efisiensinya rendah. Teknologinya masih muda. Namun alternatifnya—menggali bumi untuk mencari minyak—terasa semakin ketinggalan zaman. Akarnya sudah siap.
Teknologi ini bukannya tanpa cela. Sel Bahan Bakar Mikroba Tumbuhan (PMFC) terjebak dalam tarik-menarik. Substrat perlu mendukung akar tanaman sekaligus memfasilitasi transfer elektron. Kedua gol ini kerap saling beradu. Ambil tingkat pH. Jika keasaman antara dua ruang sel berbeda, ion akan bergegas melintasi membran untuk menyeimbangkan keadaan. Ini menyebabkan arus pendek tegangan. Potensi listrik turun. Para insinyur harus menyelesaikan masalah ini.
Perbaiki kekusutannya, dan potensinya luar biasa. Itu semua tergantung pada kepadatan energi. Sebuah studi tahun 2008 mematok output sebesar 21 gigajoule per hektar setiap tahunnya. Itu berarti 5.800 kilowatt-jam per 2,5 hektar. Data terbaru menunjukkan bahwa jumlahnya bisa meroket hingga 1.000 gigajoule per hektar.
Sebagai gambaran, pertimbangkan garis dasar:
– Satu barel minyak mengandung sekitar 6 gigajoule energi kimia.
– Eropa memiliki 13,7 juta petani. Luas lahan rata-rata adalah 12 hektar.
– AS memiliki 2 juta petani. Luas lahan rata-rata adalah 180 hektar.
Jalankan angkanya. Jika hanya 1 persen lahan pertanian di AS dan Eropa yang beralih ke teknologi sel bahan bakar mikroba, hasilnya akan sangat besar. Eropa bisa menghasilkan 34,5 juta gigajoule per tahun. AS bisa mencapai 75,6 juta gigajoule.
Bandingkan dengan konsumsi. Pada tahun 2010, 27 negara Uni Eropa membakar 1,759 juta ton setara minyak (TOE). Itu sama dengan 74,2 miliar gigajoule. Atau 20,5 triliun kilowatt-jam. TOE adalah metrik standar untuk membandingkan sumber energi. Satu ton setara minyak.
Dalam model yang disederhanakan ini, PMFC sangatlah mudah. Penurunan yang sangat besar, namun masih merupakan penurunan dibandingkan total permintaan. Namun ini merupakan penurunan yang bebas polusi. Itu berasal dari ladang hijau, bukan cerobong asap atau turbin angin yang membunuh burung.
Ini baru permulaan. Para peneliti sedang merekayasa bakteri yang memakan limbah lebih cepat. Antara tahun 2008 dan 2012, perubahan pada kimia substrat menggandakan keluaran listrik dalam beberapa pengujian. PlantPower, pemain kunci di bidang ini, mengklaim bahwa PMFC yang disempurnakan dapat memasok 20 persen energi primer di Eropa. Kekuatan tersebut diambil langsung dari sumber alami yang belum diubah.
Biaya masih menjadi kendala. Teknologi ini harus lebih murah dan efisien sebelum diadopsi secara luas. Kemajuan sedang terjadi. Produsen membuang logam mulia untuk elektroda kain karbon konduktif. Ini menghemat uang. Pada tahun 2012, menjalankan pengaturan satu meter kubik di laboratorium memerlukan biaya $70.
Pikirkan tentang manfaat sampingannya. Penghapusan polutan. Pengurangan gas rumah kaca. Jika investor dan pemerintah melihat manfaatnya, PMFC dapat menjadi pembangkit listrik di masa depan. Atau mereka mungkin menanam benih untuk sesuatu yang lebih baik.
