Cercetătorii de la Universitatea Northwestern au dezvoltat o celulă de combustibil, aproximativ de mărimea unei cărți de buzunar, care generează electricitate folosind microbi găsiți în mod natural în sol. Dispozitivul captează energia eliberată pe măsură ce acești microorganisme descompun materialul organic, producând cantități mici de energie. Este proiectat să alimenteze senzori subterani pentru agricultura de precizie și monitorizarea mediului, oferind o alternativă potențială la bateriile tradiționale, care conțin materiale toxice, se bazează pe lanțuri complexe de aprovizionare globale și contribuie la deșeurile electronice.
Echipa a demonstrat celula de combustibil folosind-o pentru a opera senzori care măsoară umiditatea solului și detectează atingerea - o capacitate care ar putea ajuta la monitorizarea mișcării faunei. Sistemul include o mică antenă care trimite date fără fir prin reflectarea semnalelor de radiofrecvență existente, menținând consumul de energie extrem de scăzut. Dispozitivul s-a dovedit fiabil într-o gamă largă de condiții, funcționând atât în sol uscat, cât și în medii inundate, și a produs o putere mai susținută decât sistemele similare, rezistând cu aproximativ 120% mai mult.
Studiul a fost publicat în Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Cercetătorii au lansat public și proiectele lor, tutorialele și instrumentele de simulare. După cum a remarcat absolventul Northwestern Bill Yen, care a condus lucrarea, cu trilioane de dispozitive Internet of Things (IoT) la orizont, nu le putem construi pe toate din litiu și metale grele. El a spus: "Atâta timp cât există carbon organic în sol pentru ca microbi să-l descompună, celula de combustibil poate dura potențial pentru totdeauna."
Celulele de combustibil microbiene (MFC) funcționează oarecum ca o baterie, cu un anod, catod și electrolit, dar se bazează pe bacterii care eliberează în mod natural electroni pentru a crea un curent electric. Autorul senior George Wells a explicat: "Nu vom alimenta orașe întregi cu această energie. Dar putem capta cantități minuscule de energie pentru a alimenta aplicații practice, cu consum redus de energie." Provocarea cu sursele actuale de energie pentru senzorii de agricultură de precizie este că bateriile se epuizează și panourile solare se murdăresc, necesită lumină solară și ocupă spațiu.
MFC-urile bazate pe sol există din 1911, dar s-au confruntat cu performanțe nesigure și putere de ieșire scăzută, mai ales în condiții de umiditate redusă. Echipa Northwestern a petrecut doi ani dezvoltând și testând modele, comparând patru versiuni pe parcursul a nouă luni. Descoperirea lor a venit dintr-o schimbare în geometrie: poziționarea anodului (realizat din fetru de carbon) orizontal și a catodului (realizat din metal conductor) vertical. Această structură asigură un aprovizionare constantă cu oxigen la suprafață și menține hidratarea dedesubt, cu un capac protector și o cameră de aer. O acoperire impermeabilă ajută în timpul inundațiilor.
Prototipul final s-a comportat bine în condiții de sol de la moderat uscat (41% apă în volum) până la complet scufundat, generând de 68 de ori mai multă energie decât era necesar pentru a-și alimenta senzorii. De la publicarea studiului, interesul a crescut, cercetătorii lucrând la îmbunătățirea eficienței, stabilității și materialelor, inclusiv explorând modele biodegradabile. Echipa își propune să creeze versiuni complet biodegradabile pentru a evita lanțurile complexe de aprovizionare și mineralele conflictuale. Coautorul Josiah Hester a remarcat că scopul este să "construiască dispozitive care folosesc lanțuri locale de aprovizionare și materiale ieftine, astfel încât calculul să fie accesibil pentru toate comunitățile."
Studiul, "Soil-powered computing: The engineer's guide to practical soil microbial fuel cell design," a fost susținut de National Science Foundation (număr de premiu CNS-2038853), Agricultural and Food Research Initiative (număr de premiu 2023-67021-40628) de la USDA National Institute of Food and Agriculture, Alfred P. Sloan Foundation, VMware Research și 3M.