I ricercatori della Northwestern University hanno sviluppato una cella a combustibile, grande all'incirca quanto un libro tascabile, che genera elettricità utilizzando microbi naturalmente presenti nel terreno. Il dispositivo cattura l'energia rilasciata mentre questi microrganismi decompongono materiale organico, producendo piccole quantità di energia. È progettato per alimentare sensori sotterranei per l'agricoltura di precisione e il monitoraggio ambientale, offrendo una potenziale alternativa alle tradizionali batterie, che contengono materiali tossici, dipendono da complesse catene di approvvigionamento globali e contribuiscono ai rifiuti elettronici.

Il team ha dimostrato la cella a combustibile utilizzandola per far funzionare sensori che misurano l'umidità del suolo e rilevano il tocco - una capacità che potrebbe aiutare a monitorare i movimenti della fauna selvatica. Il sistema include una piccola antenna che invia dati in modalità wireless riflettendo i segnali a radiofrequenza esistenti, mantenendo l'uso di energia estremamente basso. Il dispositivo si è dimostrato affidabile in un'ampia gamma di condizioni, funzionando sia in terreni asciutti che in ambienti allagati, e ha prodotto energia più sostenuta rispetto a sistemi simili, durando circa il 120% in più.

Lo studio è stato pubblicato negli Atti dell'Associazione per la Macchina Computazionale su Tecnologie Interattive, Mobili, Indossabili e Ubique. I ricercatori hanno anche reso pubblici i loro progetti, tutorial e strumenti di simulazione. Come ha notato l'alunno della Northwestern Bill Yen, che ha guidato il lavoro, con trilioni di dispositivi Internet of Things (IoT) all'orizzonte, non possiamo costruirli tutti con litio e metalli pesanti. Ha detto: "Finché c'è carbonio organico nel terreno che i microbi possano decomporre, la cella a combustibile può potenzialmente durare per sempre."

Le celle a combustibile microbiche (MFC) funzionano un po' come una batteria, con un anodo, un catodo e un elettrolita, ma si basano su batteri che rilasciano naturalmente elettroni per creare una corrente elettrica. L'autore senior George Wells ha spiegato: "Non alimenteremo intere città con questa energia. Ma possiamo catturare minuscole quantità di energia per alimentare applicazioni pratiche a basso consumo." La sfida con le attuali fonti di energia per i sensori dell'agricoltura di precisione è che le batterie si esauriscono e i pannelli solari si sporcano, richiedono luce solare e occupano spazio.

Le MFC basate sul terreno esistono dal 1911 ma hanno lottato con prestazioni inaffidabili e bassa potenza in uscita, specialmente in condizioni di bassa umidità. Il team della Northwestern ha trascorso due anni a sviluppare e testare progetti, confrontando quattro versioni in nove mesi. La loro svolta è arrivata da un cambiamento nella geometria: posizionando l'anodo (realizzato in feltro di carbonio) orizzontalmente e il catodo (realizzato in metallo conduttivo) verticalmente. Questa struttura garantisce un costante apporto di ossigeno in superficie e mantiene l'idratazione sotto, con un cappuccio protettivo e una camera d'aria. Un rivestimento impermeabile aiuta durante le inondazioni.

Il prototipo finale ha funzionato bene in condizioni del terreno da moderatamente asciutto (41% di acqua in volume) a completamente sommerso, generando 68 volte più energia di quella necessaria per far funzionare i suoi sensori. Dalla pubblicazione dello studio, l'interesse è cresciuto, con i ricercatori che lavorano per migliorare l'efficienza, la stabilità e i materiali, inclusa l'esplorazione di progetti biodegradabili. Il team mira a creare versioni completamente biodegradabili per evitare complesse catene di approvvigionamento e minerali di conflitto. Il co-autore Josiah Hester ha notato che l'obiettivo è "costruire dispositivi che utilizzino catene di approvvigionamento locali e materiali a basso costo in modo che l'informatica sia accessibile a tutte le comunità."

Lo studio, "Calcolo alimentato dal terreno: la guida dell'ingegnere alla progettazione pratica di celle a combustibile microbiche del suolo", è stato supportato dalla National Science Foundation (numero di premio CNS-2038853), dall'Agricultural and Food Research Initiative (numero di premio 2023-67021-40628) del USDA National Institute of Food and Agriculture, dalla Alfred P. Sloan Foundation, VMware Research e 3M.