Des chercheurs de l'Université Northwestern ont développé une pile à combustible, à peu près de la taille d'un livre de poche, qui génère de l'électricité en utilisant des microbes naturellement présents dans le sol. L'appareil capture l'énergie libérée lorsque ces micro-organismes décomposent la matière organique, produisant de petites quantités d'énergie. Il est conçu pour alimenter des capteurs souterrains pour l'agriculture de précision et la surveillance environnementale, offrant une alternative potentielle aux batteries traditionnelles, qui contiennent des matériaux toxiques, dépendent de chaînes d'approvisionnement mondiales complexes et contribuent aux déchets électroniques.
L'équipe a démontré la pile à combustible en l'utilisant pour faire fonctionner des capteurs mesurant l'humidité du sol et détectant le toucher - une capacité qui pourrait aider à surveiller les mouvements de la faune. Le système comprend une petite antenne qui envoie des données sans fil en réfléchissant les signaux radiofréquences existants, ce qui maintient la consommation d'énergie extrêmement faible. L'appareil s'est avéré fiable dans une large gamme de conditions, fonctionnant à la fois dans un sol sec et dans des environnements inondés, et a produit une puissance plus soutenue que des systèmes similaires, durant environ 120% plus longtemps.
L'étude a été publiée dans les Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Les chercheurs ont également rendu publics leurs plans, tutoriels et outils de simulation. Comme l'a noté Bill Yen, ancien élève de Northwestern qui a dirigé les travaux, avec des milliers de milliards d'appareils de l'Internet des Objets (IoT) à l'horizon, nous ne pouvons pas tous les construire avec du lithium et des métaux lourds. Il a déclaré : "Tant qu'il y aura du carbone organique dans le sol pour que les microbes le décomposent, la pile à combustible pourra potentiellement durer éternellement."
Les piles à combustible microbiennes (MFC) fonctionnent un peu comme une batterie, avec une anode, une cathode et un électrolyte, mais reposent sur des bactéries qui libèrent naturellement des électrons pour créer un courant électrique. L'auteur principal George Wells a expliqué : "Nous n'allons pas alimenter des villes entières avec cette énergie. Mais nous pouvons capturer des quantités infimes d'énergie pour alimenter des applications pratiques et à faible consommation." Le défi avec les sources d'énergie actuelles pour les capteurs d'agriculture de précision est que les batteries s'épuisent et que les panneaux solaires se salissent, nécessitent de la lumière du soleil et prennent de la place.
Les MFC à base de sol existent depuis 1911 mais ont souffert de performances peu fiables et d'une faible puissance de sortie, en particulier dans des conditions de faible humidité. L'équipe de Northwestern a passé deux ans à développer et tester des conceptions, comparant quatre versions sur neuf mois. Leur percée est venue d'un changement de géométrie : positionner l'anode (en feutre de carbone) horizontalement et la cathode (en métal conducteur) verticalement. Cette structure assure un apport constant d'oxygène à la surface et maintient l'hydratation en dessous, avec un capuchon protecteur et une chambre à air. Un revêtement imperméable aide lors des inondations.
Le prototype final a bien fonctionné dans des conditions de sol allant de modérément sec (41% d'eau en volume) à complètement submergé, générant 68 fois plus d'énergie que nécessaire pour faire fonctionner ses capteurs. Depuis la publication de l'étude, l'intérêt a grandi, avec des chercheurs travaillant à améliorer l'efficacité, la stabilité et les matériaux, y compris en explorant des conceptions biodégradables. L'équipe vise à créer des versions entièrement biodégradables pour éviter les chaînes d'approvisionnement complexes et les minerais de conflit. Le co-auteur Josiah Hester a noté que l'objectif est de "construire des appareils qui utilisent des chaînes d'approvisionnement locales et des matériaux à faible coût afin que l'informatique soit accessible à toutes les communautés."
L'étude, "Soil-powered computing: The engineer's guide to practical soil microbial fuel cell design", a été soutenue par la National Science Foundation (numéro de subvention CNS-2038853), l'Agricultural and Food Research Initiative (numéro de subvention 2023-67021-40628) de l'USDA National Institute of Food and Agriculture, l'Alfred P. Sloan Foundation, VMware Research et 3M.