Onderzoekers van Northwestern University hebben een brandstofcel ontwikkeld, ongeveer zo groot als een paperbackboek, die elektriciteit opwekt met behulp van microben die van nature in de bodem voorkomen. Het apparaat vangt energie op die vrijkomt wanneer deze micro-organismen organisch materiaal afbreken, waarbij kleine hoeveelheden stroom worden geproduceerd. Het is ontworpen om ondergrondse sensoren voor precisielandbouw en milieumonitoring te laten draaien, als een mogelijk alternatief voor traditionele batterijen, die giftige materialen bevatten, afhankelijk zijn van complexe wereldwijde toeleveringsketens en bijdragen aan elektronisch afval.
Het team demonstreerde de brandstofcel door hem te gebruiken om sensoren te laten werken die bodemvocht meten en aanraking detecteren - een mogelijkheid die zou kunnen helpen bij het monitoren van wildbewegingen. Het systeem bevat een kleine antenne die draadloos gegevens verzendt door bestaande radiofrequentiesignalen te reflecteren, waardoor het energieverbruik extreem laag blijft. Het apparaat bleek betrouwbaar te zijn onder een breed scala aan omstandigheden, functioneerde zowel in droge grond als in overstroomde omgevingen, en produceerde meer aanhoudend vermogen dan vergelijkbare systemen, met ongeveer 120% langere levensduur.
De studie werd gepubliceerd in de Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. De onderzoekers hebben hun ontwerpen, tutorials en simulatietools ook openbaar vrijgegeven. Zoals Northwestern-alumnus Bill Yen, die het werk leidde, opmerkte: met biljoenen Internet of Things (IoT)-apparaten in het vooruitzicht, kunnen we ze niet allemaal van lithium en zware metalen bouwen. Hij zei: "Zolang er organische koolstof in de bodem is voor de microben om af te breken, kan de brandstofcel mogelijk eeuwig meegaan."
Microbiële brandstofcellen (MFC's) werken enigszins als een batterij, met een anode, kathode en elektrolyt, maar zijn afhankelijk van bacteriën die van nature elektronen vrijgeven om een elektrische stroom te creëren. Senior auteur George Wells legde uit: "We gaan niet hele steden van deze energie voorzien. Maar we kunnen minuscule hoeveelheden energie opvangen om praktische, laagvermogen toepassingen aan te drijven." De uitdaging bij huidige energiebronnen voor precisielandbouwsensoren is dat batterijen leegraken en zonnepanelen vies worden, zonlicht nodig hebben en ruimte innemen.
Op bodem gebaseerde MFC's bestaan al sinds 1911, maar hebben te kampen gehad met onbetrouwbare prestaties en laag uitgangsvermogen, vooral bij lage vochtigheidsomstandigheden. Het Northwestern-team besteedde twee jaar aan het ontwikkelen en testen van ontwerpen, waarbij ze vier versies over negen maanden vergeleken. Hun doorbraak kwam door een verandering in geometrie: de anode (gemaakt van koolstofvilt) horizontaal en de kathode (gemaakt van geleidend metaal) verticaal positioneren. Deze structuur zorgt voor een gestage zuurstoftoevoer aan het oppervlak en behoudt hydratatie eronder, met een beschermende dop en een luchtkamer. Een waterdichte coating helpt tijdens overstromingen.
Het uiteindelijke prototype presteerde goed onder verschillende bodemomstandigheden, van matig droog (41% water per volume) tot volledig ondergedompeld, en genereerde 68 keer meer vermogen dan nodig was om zijn sensoren te laten draaien. Sinds de publicatie van de studie is de interesse gegroeid, waarbij onderzoekers werken aan het verbeteren van efficiëntie, stabiliteit en materialen, inclusief het verkennen van biologisch afbreekbare ontwerpen. Het team streeft ernaar volledig biologisch afbreekbare versies te maken om complexe toeleveringsketens en conflictmineralen te vermijden. Medeauteur Josiah Hester merkte op dat het doel is om "apparaten te bouwen die lokale toeleveringsketens en goedkope materialen gebruiken, zodat computing toegankelijk is voor alle gemeenschappen."
De studie, "Soil-powered computing: The engineer's guide to practical soil microbial fuel cell design," werd ondersteund door de National Science Foundation (toekenningsnummer CNS-2038853), het Agricultural and Food Research Initiative (toekenningsnummer 2023-67021-40628) van het USDA National Institute of Food and Agriculture, de Alfred P. Sloan Foundation, VMware Research en 3M.