Northwestern Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, toprakta doğal olarak bulunan mikropları kullanarak elektrik üreten, yaklaşık bir cep kitabı boyutunda bir yakıt hücresi geliştirdi. Bu cihaz, bu mikroorganizmalar organik materyali parçalarken açığa çıkan enerjiyi yakalayarak küçük miktarlarda güç üretiyor. Hassas tarım ve çevre izleme için yeraltı sensörlerini çalıştırmak üzere tasarlanmış olup, toksik materyaller içeren, karmaşık küresel tedarik zincirlerine bağlı olan ve elektronik atığa katkıda bulunan geleneksel piller için potansiyel bir alternatif sunuyor.
Ekip, yakıt hücresini toprak nemini ölçen ve dokunmayı algılayan sensörleri çalıştırmak için kullanarak gösterdi - bu yetenek yaban hayatı hareketlerini izlemeye yardımcı olabilir. Sistem, mevcut radyo frekansı sinyallerini yansıtarak verileri kablosuz olarak gönderen küçük bir anten içeriyor, böylece enerji kullanımı son derece düşük kalıyor. Cihaz, hem kuru toprakta hem de su basmış ortamlarda çalışarak geniş bir koşul yelpazesinde güvenilir olduğunu kanıtladı ve benzer sistemlerden yaklaşık %120 daha uzun süre dayanarak daha sürekli güç üretti.
Çalışma, Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies'ın Proceedings'inde yayımlandı. Araştırmacılar ayrıca tasarımlarını, öğreticilerini ve simülasyon araçlarını kamuya açık olarak yayınladı. Çalışmaya öncülük eden Northwestern mezunu Bill Yen'in belirttiği gibi, ufukta trilyonlarca Nesnelerin İnterneti (IoT) cihazı varken, hepsini lityum ve ağır metallerden inşa edemeyiz. "Mikropların parçalaması için toprakta organik karbon olduğu sürece, yakıt hücresi potansiyel olarak sonsuza kadar dayanabilir" dedi.
Mikrobiyal yakıt hücreleri (MFC'ler) bir anot, katot ve elektrolit ile bir pile biraz benzer şekilde çalışır, ancak doğal olarak elektron salan bakterilere dayanarak elektrik akımı oluşturur. Kıdemli yazar George Wells, "Bu enerjiyle tüm şehirleri güçlendirmeyeceğiz. Ancak pratik, düşük güçlü uygulamaları beslemek için çok küçük miktarlarda enerjiyi yakalayabiliriz" diye açıkladı. Hassas tarım sensörleri için mevcut güç kaynaklarındaki zorluk, pillerin tükenmesi ve güneş panellerinin kirlenmesi, güneş ışığı gerektirmesi ve yer kaplamasıdır.
Toprak tabanlı MFC'ler 1911'den beri var olmasına rağmen, güvenilir olmayan performans ve düşük çıkış gücüyle, özellikle düşük nem koşullarında mücadele etti. Northwestern ekibi, dört versiyonu dokuz ay boyunca karşılaştırarak iki yıl boyunca tasarımlar geliştirip test etti. Onların atılımı, geometrideki bir değişiklikten geldi: anotu (karbon keçeden yapılmış) yatay ve katodu (iletken metalden yapılmış) dikey olarak konumlandırmak. Bu yapı, yüzeyde sabit bir oksijen kaynağı sağlar ve aşağıda hidrasyonu korur, koruyucu bir kapak ve hava odası ile. Su geçirmez bir kaplama su baskını sırasında yardımcı olur.
Son prototip, orta derecede kuru (hacimce %41 su) tamamen su altında kalan toprak koşullarında iyi performans gösterdi ve sensörlerini çalıştırmak için gereken gücün 68 katını üretti. Çalışma yayımlandığından beri, araştırmacılar biyobozunur tasarımlar da dahil olmak üzere verimliliği, stabiliteyi ve materyalleri iyileştirmek için çalışarak ilgi arttı. Ekip, karmaşık tedarik zincirlerinden ve çatışma minerallerinden kaçınmak için tamamen biyobozunur versiyonlar yaratmayı hedefliyor. Ortak yazar Josiah Hester, hedefin "yerel tedarik zincirlerini ve düşük maliyetli materyalleri kullanan cihazlar inşa etmek, böylece hesaplamanın tüm topluluklar için erişilebilir olması" olduğunu belirtti.
"Toprakla çalışan bilgi işlem: Pratik toprak mikrobiyal yakıt hücresi tasarımı için mühendis rehberi" başlıklı çalışma, National Science Foundation (ödül numarası CNS-2038853), USDA National Institute of Food and Agriculture'dan Agricultural and Food Research Initiative (ödül numarası 2023-67021-40628), Alfred P. Sloan Foundation, VMware Research ve 3M tarafından desteklendi.