طور باحثون في جامعة نورثويسترن خلية وقود بحجم كتاب ورقي تقريبًا، تولد الكهرباء باستخدام الميكروبات الموجودة طبيعيًا في التربة. يلتقط الجهاز الطاقة المنبعثة أثناء تحلل هذه الكائنات الدقيقة للمواد العضوية، منتجًا كميات صغيرة من الطاقة. صُمم الجهاز لتشغيل أجهزة الاستشعار تحت الأرض للزراعة الدقيقة ومراقبة البيئة، مما يقدم بديلًا محتملًا للبطاريات التقليدية التي تحتوي على مواد سامة، وتعتمد على سلاسل التوريد العالمية المعقدة، وتساهم في النفايات الإلكترونية.
أظهر الفريق خلية الوقود باستخدامها لتشغيل أجهزة استشعار تقيس رطوبة التربة وتكتشف اللمس - وهي قدرة يمكن أن تساعد في مراقبة حركة الحياة البرية. يتضمن النظام هوائيًا صغيرًا يرسل البيانات لاسلكيًا عن طريق عكس إشارات التردد الراديوي الحالية، مما يحافظ على استهلاك الطاقة منخفضًا للغاية. أثبت الجهاز موثوقيته عبر مجموعة واسعة من الظروف، حيث عمل في التربة الجافة والبيئات الغارقة، وأنتج طاقة أكثر استدامة من الأنظمة المماثلة، حيث استمر بنحو 120٪ لفترة أطول.
نُشرت الدراسة في وقائع جمعية آلات الحوسبة حول التقنيات التفاعلية والمتنقلة والقابلة للارتداء والمنتشرة. كما أطلق الباحثون تصاميمهم ودروسهم التعليمية وأدوات المحاكاة علنًا. كما لاحظ خريج نورثويسترن بيل ين، الذي قاد العمل، مع تريليونات أجهزة إنترنت الأشياء (IoT) في الأفق، لا يمكننا بناءها جميعًا من الليثيوم والمعادن الثقيلة. قال: "طالما هناك كربون عضوي في التربة لتتحلله الميكروبات، يمكن لخلية الوقود أن تستمر إلى الأبد."
تعمل خلايا الوقود الميكروبية (MFCs) إلى حد ما مثل البطارية، مع قطب موجب وقطب سالب وإلكتروليت، لكنها تعتمد على البكتيريا التي تطلق الإلكترونات طبيعيًا لخلق تيار كهربائي. أوضح المؤلف الرئيسي جورج ويلز: "لن نمد مدنًا كاملة بالطاقة بهذه الطاقة. لكن يمكننا التقاط كميات ضئيلة من الطاقة لتشغيل تطبيقات عملية منخفضة الطاقة." التحدي مع مصادر الطاقة الحالية لأجهزة استشعار الزراعة الدقيقة هو أن البطاريات تنفد والألواح الشمسية تتسخ، وتتطلب ضوء الشمس، وتشغل مساحة.
كانت خلايا الوقود الميكروبية القائمة على التربة موجودة منذ عام 1911 لكنها عانت من أداء غير موثوق وقوة إنتاج منخفضة، خاصة في ظروف الرطوبة المنخفضة. قضى فريق نورثويسترن عامين في تطوير واختبار التصاميم، مقارنةً أربعة إصدارات على مدى تسعة أشهر. جاءت طفرتهم من تغيير في الهندسة: وضع القطب الموجب (المصنوع من اللباد الكربوني) أفقيًا والقطب السالب (المصنوع من معدن موصل) عموديًا. يضمن هذا الهيكل إمدادًا ثابتًا بالأكسجين على السطح ويحافظ على الترطيب أدناه، مع غطاء واقٍ وغرفة هواء. تساعد طلاءات مقاومة للماء أثناء الفيضانات.
أداء النموذج الأولي النهائي جيدًا عبر ظروف التربة من الجافة المعتدلة (41٪ ماء بالحجم) إلى المغمورة بالكامل، مولدة طاقة أكثر بـ 68 مرة من المطلوب لتشغيل أجهزة الاستشعار الخاصة بها. منذ نشر الدراسة، نما الاهتمام، حيث يعمل الباحثون على تحسين الكفاءة والاستقرار والمواد، بما في ذلك استكشاف تصاميم قابلة للتحلل الحيوي. يهدف الفريق إلى إنشاء إصدارات قابلة للتحلل الحيوي بالكامل لتجنب سلاسل التوريد المعقدة والمعادن المتنازع عليها. لاحظ المؤلف المشارك جوزيا هيستر أن الهدف هو "بناء أجهزة تستخدم سلاسل توريد محلية ومواد منخفضة التكلفة بحيث تكون الحوسبة في متناول جميع المجتمعات."
دُعمت الدراسة، "الحوسبة المعتمدة على التربة: دليل المهندس لتصميم خلية وقود ميكروبية عملية للتربة"، من قبل مؤسسة العلوم الوطنية (رقم الجائزة CNS-2038853)، ومبادرة البحوث الزراعية والغذائية (رقم الجائزة 2023-67021-40628) من المعهد الوطني للأغذية والزراعة التابع لوزارة الزراعة الأمريكية، ومؤسسة ألفريد ب. سلون، وبحوث VMware، و3M.