Investigadores de la Universidad Northwestern han desarrollado una celda de combustible, aproximadamente del tamaño de un libro de bolsillo, que genera electricidad utilizando microbios que se encuentran naturalmente en el suelo. El dispositivo captura la energía liberada cuando estos microorganismos descomponen material orgánico, produciendo pequeñas cantidades de energía. Está diseñado para alimentar sensores subterráneos para agricultura de precisión y monitoreo ambiental, ofreciendo una alternativa potencial a las baterías tradicionales, que contienen materiales tóxicos, dependen de complejas cadenas de suministro globales y contribuyen a los desechos electrónicos.
El equipo demostró la celda de combustible utilizándola para operar sensores que miden la humedad del suelo y detectan contacto, una capacidad que podría ayudar a monitorear el movimiento de la vida silvestre. El sistema incluye una pequeña antena que envía datos de forma inalámbrica reflejando señales de radiofrecuencia existentes, manteniendo el uso de energía extremadamente bajo. El dispositivo demostró ser confiable en una amplia gama de condiciones, funcionando tanto en suelo seco como en ambientes inundados, y produjo energía más sostenida que sistemas similares, durando aproximadamente un 120% más.
El estudio fue publicado en Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Los investigadores también publicaron públicamente sus diseños, tutoriales y herramientas de simulación. Como señaló el exalumno de Northwestern Bill Yen, quien dirigió el trabajo, con billones de dispositivos del Internet de las Cosas (IoT) en el horizonte, no podemos construirlos todos con litio y metales pesados. Dijo: "Mientras haya carbono orgánico en el suelo para que los microbios descompongan, la celda de combustible podría durar para siempre".
Las celdas de combustible microbianas (MFC) funcionan algo así como una batería, con un ánodo, cátodo y electrolito, pero dependen de bacterias que liberan electrones naturalmente para crear una corriente eléctrica. El autor principal George Wells explicó: "No vamos a alimentar ciudades enteras con esta energía. Pero podemos capturar cantidades mínimas de energía para alimentar aplicaciones prácticas de baja potencia". El desafío con las fuentes de energía actuales para sensores de agricultura de precisión es que las baterías se agotan y los paneles solares se ensucian, requieren luz solar y ocupan espacio.
Las MFC basadas en suelo existen desde 1911, pero han luchado con un rendimiento poco confiable y baja potencia de salida, especialmente en condiciones de baja humedad. El equipo de Northwestern pasó dos años desarrollando y probando diseños, comparando cuatro versiones durante nueve meses. Su avance llegó con un cambio en la geometría: posicionar el ánodo (hecho de fieltro de carbono) horizontalmente y el cátodo (hecho de metal conductor) verticalmente. Esta estructura asegura un suministro constante de oxígeno en la superficie y mantiene la hidratación debajo, con una tapa protectora y una cámara de aire. Un recubrimiento impermeable ayuda durante las inundaciones.
El prototipo final funcionó bien en condiciones de suelo desde moderadamente seco (41% de agua por volumen) hasta completamente sumergido, generando 68 veces más energía de la requerida para operar sus sensores. Desde la publicación del estudio, el interés ha crecido, con investigadores trabajando para mejorar la eficiencia, estabilidad y materiales, incluyendo la exploración de diseños biodegradables. El equipo busca crear versiones completamente biodegradables para evitar cadenas de suministro complejas y minerales de conflicto. El coautor Josiah Hester señaló que el objetivo es "construir dispositivos que utilicen cadenas de suministro locales y materiales de bajo costo para que la computación sea accesible para todas las comunidades".
El estudio, "Soil-powered computing: The engineer's guide to practical soil microbial fuel cell design", fue apoyado por la National Science Foundation (número de premio CNS-2038853), la Agricultural and Food Research Initiative (número de premio 2023-67021-40628) del USDA National Institute of Food and Agriculture, la Alfred P. Sloan Foundation, VMware Research y 3M.