노스웨스턴 대학 연구진이 흙 속에 자연적으로 존재하는 미생물을 이용해 전기를 생산하는 연료전지를 개발했습니다. 이 장치는 종이책 크기 정도로, 미생물이 유기물을 분해할 때 방출되는 에너지를 포착해 소량의 전력을 생산합니다. 정밀 농업과 환경 모니터링을 위한 지하 센서를 구동하도록 설계되어, 유독 물질을 포함하고 복잡한 글로벌 공급망에 의존하며 전자 폐기물을 발생시키는 전통적 배터리에 대한 잠재적 대안을 제시합니다.
연구팀은 이 연료전지를 이용해 토양 수분을 측정하고 접촉을 감지하는 센서를 작동시켜 시연했는데, 이는 야생동물 이동을 모니터링하는 데 도움이 될 수 있는 기능입니다. 시스템에는 기존 무선 주파수 신호를 반사해 데이터를 무선으로 전송하는 작은 안테나가 포함되어 에너지 사용을 극도로 낮게 유지합니다. 이 장치는 건조한 토양과 침수된 환경 모두에서 작동하며, 유사 시스템보다 약 120% 더 오래 지속되는 등 광범위한 조건에서 안정적으로 작동함을 입증했습니다.
이 연구는 'Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies'에 게재되었습니다. 연구진은 또한 설계도, 튜토리얼, 시뮬레이션 도구를 공개했습니다. 연구를 주도한 노스웨스턴 동문 빌 옌은 수조 개의 사물인터넷(IoT) 장치가 등장할 예정인 만큼, 이 모든 것을 리튬과 중금속으로 만들 수는 없다고 지적했습니다. 그는 "미생물이 분해할 유기 탄소가 토양에 존재하는 한, 이 연료전지는 영원히 작동할 수 있다"고 말했습니다.
미생물 연료전지(MFC)는 양극, 음극, 전해질을 가진 점에서 배터리와 비슷하게 작동하지만, 전류를 생성하기 위해 자연적으로 전자를 방출하는 박테리아에 의존합니다. 선임 저자 조지 웰스는 "이 에너지로 도시 전체를 전력 공급할 수는 없습니다. 하지만 미량의 에너지를 포착해 실용적이고 저전력 응용 분야에 연료를 공급할 수 있습니다"라고 설명했습니다. 정밀 농업 센서용 현재 전원의 문제는 배터리가 방전되고, 태양광 패널이 더러워지며, 햇빛이 필요하고, 공간을 차지한다는 점입니다.
토양 기반 MFC는 1911년부터 존재해 왔지만, 특히 저습도 조건에서 성능이 불안정하고 출력이 낮은 문제를 겪어 왔습니다. 노스웨스턴 팀은 2년간 설계를 개발하고 테스트하며 9개월 동안 네 가지 버전을 비교했습니다. 그들의 돌파구는 기하학적 구조 변경에서 왔습니다: 양극(탄소 펠트 제작)을 수평으로, 음극(전도성 금속 제작)을 수직으로 배치한 것입니다. 이 구조는 표면에서 꾸준한 산소 공급을 보장하고 아래쪽에서는 수분을 유지하며, 보호 캡과 공기 챔버가 있습니다. 방수 코팅은 침수 시 도움이 됩니다.
최종 프로토타입은 중간 건조(체적 대비 41% 수분)부터 완전 침수까지 다양한 토양 조건에서 잘 작동했으며, 센서를 작동시키는 데 필요한 전력보다 68배 더 많은 전력을 생산했습니다. 연구가 게재된 이후 관심이 높아지면서, 연구자들은 생분해성 설계를 탐구하는 등 효율성, 안정성, 재료를 개선하기 위해 노력하고 있습니다. 팀은 복잡한 공급망과 분쟁 광물을 피하기 위해 완전히 생분해성 버전을 만들고자 합니다. 공동 저자 조시아 헤스터는 "지역 공급망과 저비용 재료를 사용하는 장치를 만들어 모든 지역사회가 컴퓨팅을 이용할 수 있도록 하는 것"이 목표라고 언급했습니다.
"Soil-powered computing: The engineer's guide to practical soil microbial fuel cell design" 연구는 국립과학재단(CNS-2038853), USDA 국립식량농업연구소 농식품연구이니셔티브(2023-67021-40628), 앨프레드 P. 슬론 재단, VMware 리서치, 3M의 지원을 받았습니다.