Исследователи из Северо-Западного университета разработали топливный элемент размером с книгу в мягкой обложке, который генерирует электричество с помощью микробов, естественным образом обитающих в почве. Устройство улавливает энергию, выделяемую при разложении органического материала этими микроорганизмами, производя небольшое количество энергии. Оно предназначено для питания подземных датчиков точного земледелия и экологического мониторинга, предлагая потенциальную альтернативу традиционным аккумуляторам, которые содержат токсичные материалы, зависят от сложных глобальных цепочек поставок и способствуют образованию электронных отходов.

Команда продемонстрировала топливный элемент, используя его для работы датчиков, измеряющих влажность почвы и обнаруживающих прикосновение — возможность, которая может помочь отслеживать перемещение диких животных. Система включает небольшую антенну, которая отправляет данные по беспроводной связи, отражая существующие радиочастотные сигналы, что позволяет сохранять энергопотребление на крайне низком уровне. Устройство показало надежность в широком диапазоне условий, функционируя как в сухой почве, так и в затопленных средах, и производило более устойчивую энергию, чем аналогичные системы, работая примерно на 120% дольше.

Исследование было опубликовано в Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Исследователи также публично выпустили свои проекты, учебные пособия и инструменты моделирования. Как отметил выпускник Северо-Западного университета Билл Йен, руководивший работой, с триллионами устройств Интернета вещей (IoT) на горизонте мы не можем строить их все из лития и тяжелых металлов. Он сказал: «Пока в почве есть органический углерод для разложения микробами, топливный элемент потенциально может работать вечно».

Микробные топливные элементы (MFC) работают несколько подобно батарее, с анодом, катодом и электролитом, но полагаются на бактерии, которые естественным образом выделяют электроны для создания электрического тока. Старший автор Джордж Уэллс пояснил: «Мы не собираемся питать целые города этой энергией. Но мы можем улавливать крошечные количества энергии для питания практичных, маломощных приложений». Проблема с текущими источниками питания для датчиков точного земледелия заключается в том, что аккумуляторы разряжаются, а солнечные панели пачкаются, требуют солнечного света и занимают место.

Почвенные MFC существуют с 1911 года, но страдали от ненадежной работы и низкой выходной мощности, особенно в условиях низкой влажности. Команда Северо-Западного университета потратила два года на разработку и тестирование проектов, сравнивая четыре версии в течение девяти месяцев. Их прорыв произошел благодаря изменению геометрии: расположение анода (из углеродного войлока) горизонтально и катода (из проводящего металла) вертикально. Эта структура обеспечивает постоянную подачу кислорода на поверхности и поддерживает гидратацию ниже, с защитной крышкой и воздушной камерой. Водонепроницаемое покрытие помогает во время затопления.

Финальный прототип хорошо показал себя в различных почвенных условиях — от умеренно сухой (41% воды по объему) до полностью погруженной, генерируя в 68 раз больше энергии, чем требуется для работы его датчиков. С момента публикации исследования интерес вырос, и исследователи работают над улучшением эффективности, стабильности и материалов, включая изучение биоразлагаемых конструкций. Команда стремится создать полностью биоразлагаемые версии, чтобы избежать сложных цепочек поставок и конфликтных минералов. Соавтор Джозайя Хестер отметил, что цель — «создавать устройства, использующие локальные цепочки поставок и недорогие материалы, чтобы вычислительные технологии были доступны для всех сообществ».

Исследование «Soil-powered computing: The engineer's guide to practical soil microbial fuel cell design» было поддержано Национальным научным фондом (номер награды CNS-2038853), Инициативой сельскохозяйственных и пищевых исследований (номер награды 2023-67021-40628) от Национального института продовольствия и сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США, Фондом Альфреда П. Слоана, VMware Research и 3M.