Badacze z Northwestern University opracowali ogniwo paliwowe, mniej więcej wielkości książki w miękkiej oprawie, które wytwarza prąd elektryczny przy użyciu mikrobów naturalnie występujących w glebie. Urządzenie przechwytuje energię uwalnianą, gdy te mikroorganizmy rozkładają materię organiczną, produkując niewielkie ilości mocy. Jest zaprojektowane do zasilania podziemnych czujników w rolnictwie precyzyjnym i monitoringu środowiskowego, oferując potencjalną alternatywę dla tradycyjnych baterii, które zawierają toksyczne materiały, polegają na skomplikowanych globalnych łańcuchach dostaw i przyczyniają się do powstawania elektrośmieci.

Zespół zademonstrował ogniwo paliwowe, używając go do obsługi czujników mierzących wilgotność gleby i wykrywających dotyk – możliwość, która mogłaby pomóc w monitorowaniu ruchu dzikich zwierząt. System obejmuje małą antenę, która przesyła dane bezprzewodowo, odbijając istniejące sygnały radiowe, utrzymując zużycie energii na wyjątkowo niskim poziomie. Urządzenie okazało się niezawodne w szerokim zakresie warunków, funkcjonując zarówno w suchej glebie, jak i w środowiskach zalanych, i wytwarzało bardziej stabilną moc niż podobne systemy, działając około 120% dłużej.

Badanie zostało opublikowane w Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Badacze udostępnili również publicznie swoje projekty, tutoriale i narzędzia symulacyjne. Jak zauważył absolwent Northwestern, Bill Yen, który kierował pracami, z trylionami urządzeń Internetu Rzeczy (IoT) na horyzoncie, nie możemy budować ich wszystkich z litu i metali ciężkich. Powiedział: „Dopóki w glebie znajduje się węgiel organiczny, który mikroby mogą rozkładać, ogniwo paliwowe może potencjalnie działać wiecznie”.

Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (MFC) działają nieco jak bateria, z anodą, katodą i elektrolitem, ale polegają na bakteriach, które naturalnie uwalniają elektrony, tworząc prąd elektryczny. Starszy autor, George Wells, wyjaśnił: „Nie będziemy zasilać całych miast tą energią. Ale możemy przechwytywać minimalne ilości energii, aby zasilać praktyczne, niskoprądowe aplikacje”. Wyzwaniem związane z obecnymi źródłami zasilania czujników rolnictwa precyzyjnego jest to, że baterie się wyczerpują, a panele słoneczne się brudzą, wymagają światła słonecznego i zajmują miejsce.

Glebowe MFC istnieją od 1911 roku, ale borykały się z zawodną wydajnością i niską mocą wyjściową, szczególnie w warunkach niskiej wilgotności. Zespół z Northwestern spędził dwa lata na opracowywaniu i testowaniu projektów, porównując cztery wersje przez dziewięć miesięcy. Ich przełom nastąpił dzięki zmianie geometrii: ustawieniu anody (wykonanej z filcu węglowego) poziomo i katody (wykonanej z przewodzącego metalu) pionowo. Ta struktura zapewnia stały dopływ tlenu na powierzchni i utrzymuje nawodnienie poniżej, z ochronną pokrywą i komorą powietrzną. Powłoka wodoodporna pomaga podczas zalania.

Ostateczny prototyp sprawdził się dobrze w różnych warunkach glebowych, od umiarkowanie suchej (41% wody objętościowo) do całkowicie zanurzonej, generując 68 razy więcej mocy niż wymagane do obsługi jego czujników. Od czasu publikacji badania wzrosło zainteresowanie, a badacze pracują nad poprawą wydajności, stabilności i materiałów, w tym badając projekty biodegradowalne. Zespół ma na celu stworzenie w pełni biodegradowalnych wersji, aby uniknąć skomplikowanych łańcuchów dostaw i minerałów konfliktowych. Współautor, Josiah Hester, zauważył, że celem jest „budowanie urządzeń, które wykorzystują lokalne łańcuchy dostaw i tanie materiały, aby obliczenia były dostępne dla wszystkich społeczności”.

Badanie „Soil-powered computing: The engineer's guide to practical soil microbial fuel cell design” było wspierane przez National Science Foundation (numer grantu CNS-2038853), Agricultural and Food Research Initiative (numer grantu 2023-67021-40628) z USDA National Institute of Food and Agriculture, Alfred P. Sloan Foundation, VMware Research i 3M.