Forscher der Northwestern University haben eine Brennstoffzelle entwickelt, etwa so groß wie ein Taschenbuch, die mit natürlich im Boden vorkommenden Mikroben Strom erzeugt. Das Gerät fängt Energie ein, die freigesetzt wird, wenn diese Mikroorganismen organisches Material abbauen, und erzeugt so kleine Mengen an Strom. Es ist für den Betrieb von Untergrundsensoren in der Präzisionslandwirtschaft und Umweltüberwachung konzipiert und bietet eine potenzielle Alternative zu herkömmlichen Batterien, die giftige Materialien enthalten, auf komplexe globale Lieferketten angewiesen sind und zu Elektroschrott beitragen.

Das Team demonstrierte die Brennstoffzelle, indem es damit Sensoren betrieb, die Bodenfeuchtigkeit messen und Berührungen erkennen – eine Fähigkeit, die bei der Überwachung von Wildtierbewegungen helfen könnte. Das System enthält eine kleine Antenne, die Daten drahtlos übermittelt, indem sie vorhandene Funkfrequenzsignale reflektiert, was den Energieverbrauch extrem niedrig hält. Das Gerät erwies sich unter verschiedenen Bedingungen als zuverlässig, funktionierte sowohl in trockenem Boden als auch in überfluteten Umgebungen und erzeugte länger anhaltend Strom als ähnliche Systeme, etwa 120 % länger.

Die Studie wurde in den Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies veröffentlicht. Die Forscher stellten ihre Entwürfe, Anleitungen und Simulationstools auch öffentlich zur Verfügung. Wie der Northwestern-Absolvent Bill Yen, der die Arbeit leitete, anmerkte: Angesichts von Billionen von Internet-der-Dinge-Geräten (IoT) am Horizont können wir nicht alle aus Lithium und Schwermetallen bauen. Er sagte: „Solange organisches Kohlenstoff im Boden für den Abbau durch Mikroben vorhanden ist, kann die Brennstoffzelle potenziell ewig halten.“

Mikrobielle Brennstoffzellen (MFCs) funktionieren ähnlich wie eine Batterie, mit einer Anode, Kathode und einem Elektrolyten, verlassen sich aber auf Bakterien, die natürlich Elektronen freisetzen, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. Senior-Autor George Wells erklärte: „Wir werden damit keine ganzen Städte mit Energie versorgen. Aber wir können winzige Energiemengen einfangen, um praktische, stromsparende Anwendungen zu betreiben.“ Die Herausforderung bei aktuellen Energiequellen für Präzisionslandwirtschaftssensoren ist, dass Batterien leer werden und Solarpanels schmutzig werden, Sonnenlicht benötigen und Platz beanspruchen.

Bodenbasierte MFCs gibt es seit 1911, hatten aber mit unzuverlässiger Leistung und geringer Ausgangsleistung zu kämpfen, besonders bei niedriger Feuchtigkeit. Das Northwestern-Team verbrachte zwei Jahre mit der Entwicklung und Testung von Entwürfen und verglich vier Versionen über neun Monate. Ihr Durchbruch kam durch eine geometrische Änderung: die Anode (aus Kohlenstofffilz) horizontal und die Kathode (aus leitfähigem Metall) vertikal anzuordnen. Diese Struktur sorgt für eine stetige Sauerstoffversorgung an der Oberfläche und hält die Hydratation unten aufrecht, mit einer Schutzabdeckung und einer Luftkammer. Eine wasserdichte Beschichtung hilft bei Überflutungen.

Der endgültige Prototyp funktionierte gut unter verschiedenen Bodenbedingungen, von mäßig trocken (41 % Wasser nach Volumen) bis vollständig untergetaucht, und erzeugte 68-mal mehr Strom als nötig, um seine Sensoren zu betreiben. Seit der Veröffentlichung der Studie ist das Interesse gewachsen, und Forscher arbeiten daran, Effizienz, Stabilität und Materialien zu verbessern, einschließlich der Erforschung biologisch abbaubarer Entwürfe. Das Team zielt darauf ab, vollständig biologisch abbaubare Versionen zu schaffen, um komplexe Lieferketten und Konfliktmineralien zu vermeiden. Co-Autor Josiah Hester merkte an, das Ziel sei es, „Geräte zu bauen, die lokale Lieferketten und kostengünstige Materialien nutzen, damit Computertechnik für alle Gemeinschaften zugänglich ist.“

Die Studie „Soil-powered computing: The engineer's guide to practical soil microbial fuel cell design“ wurde von der National Science Foundation (Award-Nummer CNS-2038853), dem Agricultural and Food Research Initiative (Award-Nummer 2023-67021-40628) vom USDA National Institute of Food and Agriculture, der Alfred P. Sloan Foundation, VMware Research und 3M unterstützt.