Forskare vid Northwestern University har utvecklat en bränslecell, ungefär lika stor som en pocketbok, som genererar elektricitet med hjälp av mikrober som naturligt finns i jord. Enheten fångar energi som frigörs när dessa mikroorganismer bryter ner organiskt material, vilket producerar små mängder ström. Den är designad att driva underjordiska sensorer för precisionsjordbruk och miljöövervakning, och erbjuder ett potentiellt alternativ till traditionella batterier, som innehåller giftiga material, förlitar sig på komplexa globala leveranskedjor och bidrar till elektroniskt avfall.

Teamet demonstrerade bränslecellen genom att använda den för att driva sensorer som mäter jordfukt och detekterar beröring – en förmåga som skulle kunna hjälpa till att övervaka vilda djurs rörelser. Systemet inkluderar en liten antenn som skickar data trådlöst genom att reflektera befintliga radiofrekvenssignaler, vilket håller energianvändningen extremt låg. Enheten visade sig vara pålitlig över ett brett spektrum av förhållanden, fungerade både i torr jord och översvämmade miljöer, och producerade mer ihållande kraft än liknande system, med en livslängd som var cirka 120% längre.

Studien publicerades i Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Forskarna släppte också offentligt sina design, handledningar och simuleringsverktyg. Som Northwestern-alumnen Bill Yen, som ledde arbetet, noterade, med biljontals Internet of Things (IoT)-enheter på horisonten, kan vi inte bygga dem alla av litium och tunga metaller. Han sa: "Så länge det finns organiskt kol i jorden för mikroberna att bryta ner, kan bränslecellen potentiellt hålla för evigt."

Mikrobiella bränsleceller (MFCs) fungerar ungefär som ett batteri, med en anod, katod och elektrolyt, men förlitar sig på bakterier som naturligt frigör elektroner för att skapa en elektrisk ström. Seniorförfattaren George Wells förklarade: "Vi kommer inte att driva hela städer med den här energin. Men vi kan fånga minimala mängder energi för att driva praktiska, lågenergiapplikationer." Utmaningen med nuvarande strömkällor för precisionsjordbrukssensorer är att batterier tar slut och solpaneler blir smutsiga, kräver solljus och tar upp plats.

Jordbaserade MFCs har funnits sedan 1911 men har kämpat med opålitlig prestanda och låg uteffekt, särskilt i miljöer med låg fuktighet. Northwestern-teamet tillbringade två år med att utveckla och testa design, och jämförde fyra versioner över nio månader. Deras genombrott kom från en förändring i geometri: placera anoden (tillverkad av kolfilt) horisontellt och katoden (tillverkad av ledande metall) vertikalt. Denna struktur säkerställer en stadig syretillförsel vid ytan och bibehåller hydrering under ytan, med ett skyddande lock och luftkammare. En vattentät beläggning hjälper vid översvämning.

Den slutliga prototypen presterade bra över olika jordförhållanden från måttligt torr (41% vatten per volym) till helt nedsänkt, och genererade 68 gånger mer kraft än vad som krävdes för att driva dess sensorer. Sedan studien publicerats har intresset ökat, med forskare som arbetar för att förbättra effektivitet, stabilitet och material, inklusive att utforska biologiskt nedbrytbara design. Teamet syftar till att skapa helt biologiskt nedbrytbara versioner för att undvika komplexa leveranskedjor och konfliktmineraler. Medförfattaren Josiah Hester noterade att målet är att "bygga enheter som använder lokala leveranskedjor och lågkostnadsmaterial så att databehandling är tillgänglig för alla samhällen."

Studien, "Soil-powered computing: The engineer's guide to practical soil microbial fuel cell design," stöddes av National Science Foundation (bidragsnummer CNS-2038853), Agricultural and Food Research Initiative (bidragsnummer 2023-67021-40628) från USDA National Institute of Food and Agriculture, Alfred P. Sloan Foundation, VMware Research och 3M.