ノースウェスタン大学の研究者たちが、土壌に自然に存在する微生物を利用して発電する燃料電池を開発した。この装置は文庫本ほどの大きさで、微生物が有機物を分解する際に放出されるエネルギーを捕捉し、少量の電力を生み出す。精密農業や環境モニタリング用の地下センサーを動かすために設計されており、有毒物質を含み、複雑なグローバルサプライチェーンに依存し、電子廃棄物を生み出す従来の電池に代わる可能性を秘めている。

研究チームは、土壌湿度を測定し、接触を検知するセンサーを動作させることでこの燃料電池を実証した。この機能は野生生物の移動を監視するのに役立つ可能性がある。システムには小さなアンテナが含まれており、既存の無線周波数信号を反射してデータを無線送信することで、エネルギー消費を極めて低く抑えている。この装置は乾燥した土壌でも水没環境でも機能し、類似システムよりも約120％長く持続する電力を生み出すなど、幅広い条件下で信頼性が証明された。

この研究は『Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies』に掲載された。研究者たちは設計図、チュートリアル、シミュレーションツールを公開している。研究を主導したノースウェスタン大学卒業生のビル・イェンは、数兆台に及ぶIoT（モノのインターネット）デバイスが登場する中、「それらすべてをリチウムや重金属で作るわけにはいかない」と指摘。「微生物が分解するための有機炭素が土壌に存在する限り、この燃料電池は理論上永遠に持続する可能性がある」と述べた。

微生物燃料電池（MFC）は、陽極、陰極、電解質を持つ点では電池に似ているが、自然に電子を放出する細菌に依存して電流を生み出す。共同研究者のジョージ・ウェルズは「このエネルギーで都市全体を動かすつもりはない。しかし、ごくわずかなエネルギーを捕捉して、実用的な低電力アプリケーションに燃料を供給することはできる」と説明。精密農業センサー用の現在の電源の問題点は、電池が切れること、太陽電池パネルが汚れ、日光を必要とし、場所を取ることだという。

土壌ベースのMFCは1911年から存在するが、信頼性の低い性能と低出力、特に低湿度条件下での問題に悩まされてきた。ノースウェスタン大学のチームは2年間をかけて設計とテストを重ね、4つのバージョンを9ヶ月間比較した。彼らの突破口は幾何学的配置の変更にあった：陽極（カーボンフェルト製）を水平に、陰極（導電性金属製）を垂直に配置する。この構造により、表面では安定した酸素供給を確保し、下部では水分を保持できる。保護キャップと空気室を備え、防水コーティングにより水没時にも機能する。

最終プロトタイプは、適度に乾燥した状態（体積比41％の水分）から完全に水没した状態までの幅広い土壌条件で良好に機能し、センサーを動作させるのに必要な電力の68倍もの電力を生成した。研究発表後、関心が高まっており、研究者たちは効率性、安定性、材料の改善に取り組んでいる。生分解性設計の探求も含まれている。チームは、複雑なサプライチェーンや紛争鉱物を避けるため、完全に生分解可能なバージョンの作成を目指している。共同研究者のジョサイア・ヘスターは「地域のサプライチェーンと低コスト材料を使用するデバイスを構築し、すべてのコミュニティがコンピューティングを利用できるようにする」ことが目標だと述べた。

この研究「Soil-powered computing: The engineer's guide to practical soil microbial fuel cell design」は、米国国立科学財団（助成番号CNS-2038853）、米国農務省国立食品農業研究所の農業食品研究イニシアチブ（助成番号2023-67021-40628）、アルフレッド・P・スローン財団、VMware Research、3Mの支援を受けた。