Pesquisadores da Northwestern University desenvolveram uma célula de combustível, aproximadamente do tamanho de um livro de bolso, que gera eletricidade usando micróbios naturalmente encontrados no solo. O dispositivo captura a energia liberada enquanto esses microrganismos decompõem material orgânico, produzindo pequenas quantidades de energia. Ele foi projetado para alimentar sensores subterrâneos para agricultura de precisão e monitoramento ambiental, oferecendo uma alternativa potencial às baterias tradicionais, que contêm materiais tóxicos, dependem de complexas cadeias de suprimentos globais e contribuem para o lixo eletrônico.

A equipe demonstrou a célula de combustível usando-a para operar sensores que medem a umidade do solo e detectam toque - uma capacidade que poderia ajudar a monitorar o movimento da vida selvagem. O sistema inclui uma pequena antena que envia dados sem fio refletindo sinais de radiofrequência existentes, mantendo o uso de energia extremamente baixo. O dispositivo provou ser confiável em uma ampla gama de condições, funcionando tanto em solo seco quanto em ambientes alagados, e produziu energia mais sustentada do que sistemas similares, durando cerca de 120% mais tempo.

O estudo foi publicado nos Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Os pesquisadores também disponibilizaram publicamente seus projetos, tutoriais e ferramentas de simulação. Como observou o ex-aluno da Northwestern Bill Yen, que liderou o trabalho, com trilhões de dispositivos da Internet das Coisas (IoT) no horizonte, não podemos construí-los todos com lítio e metais pesados. Ele disse: "Enquanto houver carbono orgânico no solo para os micróbios decomporem, a célula de combustível pode potencialmente durar para sempre."

As células de combustível microbianas (MFCs) funcionam de maneira semelhante a uma bateria, com um ânodo, cátodo e eletrólito, mas dependem de bactérias que naturalmente liberam elétrons para criar uma corrente elétrica. O autor sênior George Wells explicou: "Não vamos alimentar cidades inteiras com essa energia. Mas podemos capturar quantidades mínimas de energia para alimentar aplicações práticas de baixa potência." O desafio com as fontes de energia atuais para sensores de agricultura de precisão é que as baterias acabam e os painéis solares ficam sujos, exigem luz solar e ocupam espaço.

As MFCs baseadas em solo existem desde 1911, mas têm lutado com desempenho pouco confiável e baixa potência de saída, especialmente em condições de baixa umidade. A equipe da Northwestern passou dois anos desenvolvendo e testando projetos, comparando quatro versões ao longo de nove meses. Seu avanço veio de uma mudança na geometria: posicionando o ânodo (feito de feltro de carbono) horizontalmente e o cátodo (feito de metal condutor) verticalmente. Essa estrutura garante um suprimento constante de oxigênio na superfície e mantém a hidratação abaixo, com uma tampa protetora e uma câmara de ar. Um revestimento impermeável ajuda durante inundações.

O protótipo final teve bom desempenho em várias condições do solo, desde moderadamente seco (41% de água por volume) até totalmente submerso, gerando 68 vezes mais energia do que a necessária para operar seus sensores. Desde a publicação do estudo, o interesse cresceu, com pesquisadores trabalhando para melhorar a eficiência, estabilidade e materiais, incluindo a exploração de projetos biodegradáveis. A equipe pretende criar versões totalmente biodegradáveis para evitar cadeias de suprimentos complexas e minerais de conflito. O coautor Josiah Hester observou que o objetivo é "construir dispositivos que usem cadeias de suprimentos locais e materiais de baixo custo para que a computação seja acessível para todas as comunidades."

O estudo, "Soil-powered computing: The engineer's guide to practical soil microbial fuel cell design", foi apoiado pela National Science Foundation (número do prêmio CNS-2038853), pela Agricultural and Food Research Initiative (número do prêmio 2023-67021-40628) do USDA National Institute of Food and Agriculture, pela Alfred P. Sloan Foundation, VMware Research e 3M.