Naukowcy opracowują nowe ogniwo paliwowe zasilane brudem, które działa wiecznie

Zespół naukowców pod kierownictwem Northwestern University opracował nowe ogniwo paliwowe, które pozyskuje energię od drobnoustrojów żyjących w ziemi.

Technologia glebowa, wielkości mniej więcej zwykłej książki papierowej, mogłaby zasilać podziemne czujniki stosowane w rolnictwie precyzyjnym i zielonej infrastrukturze. Potencjalnie zapewnia to zrównoważoną, odnawialną alternatywę dla baterii, które zawierają toksyczne i łatwopalne chemikalia przedostające się do gleby, są obarczone konfliktami w łańcuchach dostaw i przyczyniają się do stale rosnącego problemu elektroodpadów.

Aby przetestować nowe ogniwo paliwowe, naukowcy wykorzystali je do zasilania czujników mierzących wilgotność gleby i wykrywających dotyk, co może być przydatne do śledzenia przechodzących zwierząt. Aby umożliwić komunikację bezprzewodową, badacze wyposażyli czujnik glebowy w małą antenę, która przesyła dane do pobliskiej stacji bazowej poprzez odbicie istniejących sygnałów o częstotliwości radiowej.

Ogniwo paliwowe nie tylko sprawdziło się w mokrych i suchych warunkach, ale także jego moc przewyższała podobne technologie o 120%.

Wyniki badania zostaną opublikowane dzisiaj (12 stycznia) w czasopiśmie Proceedings of Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable i Ubiquitous Technologies. Autorzy badania udostępniają także publicznie wszystkie projekty, samouczki i narzędzia symulacyjne, aby inni mogli korzystać z wyników badań i rozwijać je.

„Liczba urządzeń podłączonych do Internetu rzeczy (IoT) stale rośnie” – powiedział Bill Yen, absolwent Uniwersytetu Northwestern, który kierował pracami. „Jeśli wyobrazimy sobie przyszłość z bilionami tych urządzeń, nie będziemy w stanie zbudować każdego z nich przy użyciu litu, metali ciężkich i toksyn, które stanowią zagrożenie dla środowiska. Musimy znaleźć alternatywy, które mogą zapewnić niewielkie ilości energię do zasilania zdecentralizowanej sieci urządzeń. W poszukiwaniu rozwiązań przyjrzeliśmy się glebowym mikrobiologicznym ogniwom paliwowym, które wykorzystują specjalne mikroby do rozkładu gleby i wykorzystują tę niewielką ilość energii do zasilania czujników. Pod warunkiem, że w wodzie znajduje się węgiel organiczny glebę, w której drobnoustroje mogą się rozłożyć, ogniwo paliwowe może potencjalnie działać wiecznie.

Bill Yen, główny autor badania, zakopał ogniwo paliwowe podczas testów w laboratorium na Northwestern University. Źródło: Uniwersytet Northwestern

„Te mikroorganizmy są wszędzie. W rzeczywistości żyją wszędzie w glebie” – powiedział George Wells z Northwestern University, starszy autor badania. „Możemy wykorzystać bardzo proste systemy inżynieryjne do uzyskania energii elektrycznej. Nie będziemy zaopatrywać w tę energię całych miast. Możemy jednak wychwytywać niewielkie ilości energii do zasilania praktycznych zastosowań o niskim poborze mocy.

Wells jest profesorem nadzwyczajnym inżynierii lądowej i środowiskowej w McCormick School of Engineering w Northwestern. Teraz doktorat. Yin, student Uniwersytetu Stanforda, rozpoczął ten projekt, gdy był pracownikiem naukowym w laboratorium Wellsa.

Rozwiązania dla brudnej roboty

W ostatnich latach rolnicy na całym świecie coraz częściej stosują rolnictwo precyzyjne jako strategię poprawy plonów. Podejście oparte na technologii polega na precyzyjnym pomiarze poziomu wilgoci, składników odżywczych i substancji zanieczyszczających w glebie w celu podejmowania decyzji sprzyjających zdrowiu upraw. Wymaga to dużej i rozproszonej sieci urządzeń elektronicznych do ciągłego gromadzenia danych środowiskowych.

„Jeśli chcesz umieścić czujnik na pustyni, na farmie lub na terenach podmokłych, ograniczasz się do umieszczenia w nim baterii lub zebrania energii słonecznej” – powiedział Yen. „Panele słoneczne nie sprawdzają się dobrze w brudnym środowisku, ponieważ są pokryte brudem, nie działają, gdy słońce nie świeci, i zajmują dużo miejsca. Baterie również stanowią wyzwanie, ponieważ wyczerpują się Rolnicy nie będą chodzić po 100-hektarowym gospodarstwie regularnie wymieniając baterie lub panele fotowoltaiczne.

Aby pokonać te wyzwania, Wells, Wayne i ich współpracownicy zastanawiali się, czy zamiast tego mogliby pozyskiwać energię z istniejącego środowiska. „Możemy pozyskiwać energię z gleby, którą rolnicy i tak monitorują” – powiedziała Yen.

„Sfrustrowane wysiłki”

Zadebiutujące w 1911 r. mikrobiologiczne ogniwa paliwowe znajdujące się w glebie (MFC) działają jak akumulator – z anodą, katodą i elektrolitem. Zamiast jednak wykorzystywać chemikalia do wytwarzania energii elektrycznej, MFC pobierają ją od bakterii, które w naturalny sposób przekazują elektrony pobliskim przewodnikom. Kiedy te elektrony przepływają z anody do katody, tworzą obwód elektryczny.

Ogniwo paliwowe po wydobyciu z ziemi do badań jest pokryte brudem. Źródło: Bill Yen/Northwestern University

Aby jednak mikrobiologiczne ogniwa paliwowe mogły działać nieprzerwanie, muszą pozostać wilgotne i zaopatrywane w tlen, co jest trudne, gdy są zakopane pod ziemią w suchym brudzie.

„Chociaż koncepcja MSC istnieje już od ponad stulecia, ich zawodna wydajność i niska zdolność produkcyjna udaremniły wysiłki zmierzające do ich praktycznego wykorzystania, zwłaszcza w warunkach niskiej wilgotności” – powiedział Yin.

Zwycięska inżynieria

Mając na uwadze te wyzwania, Yin i jego zespół rozpoczęli dwuletnią podróż mającą na celu opracowanie praktycznego i niezawodnego ogniwa MFC na bazie gleby. Jego podróż obejmowała stworzenie – i porównanie – czterech różnych wersji. Najpierw naukowcy zebrali dane z dziewięciu miesięcy na temat wydajności każdego projektu. Następnie przetestowali swoją ostateczną wersję w parku na świeżym powietrzu.

Prototyp o najlepszych parametrach spisał się dobrze zarówno w suchych warunkach, jak i w środowisku zanurzonym. Sekret jego sukcesu: jego inżynieria. Zamiast tradycyjnej konstrukcji, w której anoda i katoda są do siebie równoległe, w zwycięskim ogniwie paliwowym zastosowano konstrukcję ortogonalną.

Wykonana z filcu węglowego (łatwo dostępnego i niedrogiego przewodnika do wychwytywania elektronów drobnoustrojów) anoda jest ustawiona poziomo względem ziemi. Katoda składa się z obojętnego, przewodzącego metalu i jest umieszczona pionowo nad anodą.

Chociaż całe urządzenie jest zakopane, pionowa konstrukcja zapewnia, że ​​górny koniec zrówna się z powierzchnią ziemi. Na górze urządzenia znajduje się wydrukowana w 3D pokrywa, która zapobiega przedostawaniu się zanieczyszczeń do środka. Otwór u góry oraz pusta komora powietrzna biegnąca obok katody umożliwiają stały przepływ powietrza.

Dolny koniec katody pozostaje umieszczony głęboko pod powierzchnią, dzięki czemu pozostaje wilgotny z otaczającej mokrej gleby, nawet gdy wierzchnia warstwa gleby wysycha pod wpływem światła słonecznego. Naukowcy pokryli także część katody materiałem wodoodpornym, aby umożliwić jej oddychanie podczas zalania. Po potencjalnej powodzi pionowa konstrukcja umożliwia stopniowe suszenie katody, a nie całe na raz.

Powstałe ogniwo paliwowe generowało średnio 68 razy więcej mocy, niż było to potrzebne do działania czujników. Był również wystarczająco wytrzymały, aby wytrzymać duże zmiany wilgotności gleby – od nieco suchej (41% objętości wody) do całkowicie zanurzonej.

Zapewnienie każdemu dostępu do komputerów

Naukowcy twierdzą, że wszystkie składniki MFC na bazie gleby można kupić w lokalnym sklepie z narzędziami. Następnie planują opracować glebowe MFC wykonane z materiałów w pełni biodegradowalnych. Obydwa projekty omijają złożone łańcuchy dostaw i pozwalają uniknąć stosowania minerałów z regionów objętych konfliktami.

„Z COVID-19 „Wszyscy zdaliśmy sobie sprawę, jak kryzys może zakłócić globalny łańcuch dostaw elektroniki” – powiedział współautor badania Josiah Hester, były pracownik wydziału Northwestern University, obecnie pracuje w Georgia Institute of Technology. „Chcemy budować urządzenia wykorzystujące lokalne łańcuchy dostaw i tanie materiały, aby komputery były dostępne dla wszystkich społeczności”.

Odniesienie: „Soil-Powered Computing” autorstwa Billa Yena, Laury Gleave, Luisa Gutierreza, Veluthiego Sahinidisa, Sadie Bernsteina, Johna Maddena, Stevena Taylora, Colina Josephsona, Pata Panuto, Weitao Shuai, George’a Wellsa, Nivedity Arora i Josiaha Hestera, styczeń 11 . 2024, Postępowanie ACM dotyczące technologii interaktywnych, mobilnych, przenośnych i wszechobecnych.
doi: 10.1145/3631410

Badanie zostało wsparte przez National Science Foundation (nagroda nr CNS-2038853), Agricultural and Food Research Initiative (nagroda nr 2023-67021-40628) Narodowego Instytutu Wyżywienia i Rolnictwa USDA, Fundację Alfreda P. Sloana , VMware Research i 3M.