Tím výskumníkov pod vedením Northwestern University vyvinul nový palivový článok, ktorý získava energiu z mikróbov žijúcich v špine.

Pôdna technológia o veľkosti bežnej papierovej knihy by mohla napájať podzemné senzory používané v presnom poľnohospodárstve a zelenej infraštruktúre. To potenciálne poskytuje udržateľnú, obnoviteľnú alternatívu k batériám, ktoré obsahujú toxické a horľavé chemikálie, ktoré sa vyplavujú do zeme, sú plné konfliktných dodávateľských reťazcov a prispievajú k neustále rastúcemu problému s elektronickým odpadom.

Na testovanie nového palivového článku ho výskumníci použili na napájanie senzorov, ktoré merajú vlhkosť pôdy a detegujú dotyk, čo je schopnosť, ktorá by mohla byť cenná pri sledovaní prechádzajúcich zvierat. Na umožnenie bezdrôtovej komunikácie výskumníci tiež vybavili pôdny senzor malou anténou na prenos údajov do blízkej základnej stanice odrážaním existujúcich rádiofrekvenčných signálov.

Palivový článok nielenže fungoval v mokrých aj suchých podmienkach, ale jeho výkon prevyšoval podobné technológie o 120 %.

Výskum bude zverejnený dnes (12. januára) v zborníku Asociácie pre počítačové stroje o interaktívnych, mobilných, nositeľných a všadeprítomných technológiách. Autori štúdie tiež zverejňujú všetky návrhy, návody a simulačné nástroje, takže ostatní môžu výskum využívať a stavať na ňom.

„Počet zariadení pripojených k internetu vecí (IoT) neustále rastie,“ povedal Bill Yen, postgraduálny študent Northwestern University, ktorý prácu viedol. „Ak si predstavíme budúcnosť s biliónmi týchto zariadení, nebudeme schopní postaviť každé z nich s použitím lítia, ťažkých kovov a toxínov, ktoré predstavujú riziko pre životné prostredie. Musíme nájsť alternatívy, ktoré môžu poskytnúť nízke množstvá energie na napájanie decentralizovanej siete zariadení. Pri hľadaní riešení sme sa zamerali na pôdne mikrobiálne palivové články, ktoré využívajú špeciálne mikróby na rozklad pôdy a využívajú toto malé množstvo energie na napájanie senzorov. Pokiaľ existuje organický uhlík v pôde, aby sa mikróby rozložili, môže palivový článok potenciálne trvať večne.

Bill Yen, hlavný autor štúdie, zakopal palivový článok počas testovania v laboratóriu na Northwestern University. Kredit: Northwestern University

„Tieto mikróby sú všade. V skutočnosti žijú všade v pôde,“ povedal George Wells z Northwestern University, hlavný autor štúdie. „Na získanie elektriny môžeme použiť veľmi jednoduché inžinierske systémy. Touto energiou nebudeme zásobovať celé mestá. Dokážeme však zachytiť malé množstvá energie na napájanie praktických aplikácií s nízkou spotrebou energie.

Wells je docentom stavebného a environmentálneho inžinierstva na Northwestern's McCormick School of Engineering. Teraz Ph.D. Yin, študent Stanfordskej univerzity, začal tento projekt, keď bol vysokoškolským výskumníkom vo Wellsovom laboratóriu.

Riešenia pre špinavú prácu

V posledných rokoch poľnohospodári na celom svete čoraz viac prijímajú presné poľnohospodárstvo ako stratégiu na zlepšenie výnosov plodín. Prístup založený na technológii sa spolieha na presné meranie hladín vlhkosti, živín a znečisťujúcich látok v pôde, aby sa mohli robiť rozhodnutia, ktoré podporujú zdravie plodín. To si vyžaduje veľkú a rozptýlenú sieť elektronických zariadení na nepretržitý zber environmentálnych údajov.

„Ak chcete umiestniť senzor v divočine, na farme alebo v mokrade, musíte doň vložiť batériu alebo zbierať slnečnú energiu,“ povedal Yin. „Solárne panely nefungujú dobre v špinavom prostredí, pretože sú pokryté špinou, nefungujú, keď nesvieti slnko, a zaberajú veľa miesta. Batérie sú tiež výzvou, pretože sa vybijú.“ Farmári nebudú chodiť okolo 100-akrovej farmy pravidelne vymieňať batérie alebo oprašovať solárne panely.

Na prekonanie týchto výziev sa Wells, Wayne a ich spolupracovníci pýtali, či by mohli namiesto toho zbierať energiu z existujúceho prostredia. „Môžeme zbierať energiu z pôdy, ktorú farmári monitorujú,“ povedal Yin.

„Frustrované úsilie“

Pôdne mikrobiálne palivové články (MFC), ktoré debutovali v roku 1911, fungujú ako batéria – s anódou, katódou a elektrolytom. Ale namiesto použitia chemikálií na výrobu elektriny MFC zbierajú elektrinu z baktérií, ktoré prirodzene darujú elektróny blízkym vodičom. Keď tieto elektróny prúdia z anódy na katódu, vytvárajú elektrický obvod.

Palivový článok je po vytiahnutí zo zeme na štúdie pokrytý nečistotami. Kredit: Bill Yen/Northwestern University

Aby však mikrobiálne palivové články fungovali bez prerušenia, musia zostať vlhké a zásobované kyslíkom, čo je ťažké, keď sú pochované pod zemou v suchej špine.

„Aj keď MSC existujú ako koncept už viac ako storočie, ich nespoľahlivý výkon a nízka výrobná kapacita zmarili snahy o ich praktické využitie, najmä v podmienkach nízkej vlhkosti,“ povedal Yin.

Víťazné inžinierstvo

S týmito výzvami sa Yin a jeho tím vydali na dvojročnú cestu vývoja praktickej a spoľahlivej bunky MFC na pôde. Jeho cesta zahŕňala vytváranie – a porovnávanie – štyroch rôznych verzií. Najprv výskumníci zhromaždili deväť mesiacov údajov o výkone každého dizajnu. Ich finálnu verziu potom otestovali vo vonkajšom parku.

Najvýkonnejší prototyp fungoval dobre v suchých podmienkach aj v ponorenom prostredí. Tajomstvo jeho úspechu: jeho inžinierstvo. Namiesto použitia tradičného dizajnu, kde sú anóda a katóda navzájom paralelné, víťazný palivový článok použil ortogonálny dizajn.

Anóda je vyrobená z uhlíkovej plsti (ľahko dostupný a lacný vodič na zachytávanie elektrónov mikróbov) a je vodorovne so zemou. Katóda pozostáva z inertného vodivého kovu a je umiestnená vertikálne nad anódou.

Hoci je celé zariadenie zakopané, vertikálny dizajn zaisťuje, že horný koniec je v jednej rovine s povrchom zeme. Na hornej strane zariadenia je 3D tlačený kryt, ktorý zabraňuje padaniu nečistôt dovnútra. Otvor v hornej časti a prázdna vzduchová komora prebiehajúca vedľa katódy umožňujú konštantné prúdenie vzduchu.

Spodný koniec katódy zostáva umiestnený hlboko pod povrchom, čo zaisťuje, že zostane vlhká od okolitej mokrej pôdy, aj keď sa vrchná vrstva vysuší na slnečnom svetle. Výskumníci tiež pokryli časť katódy hydroizolačným materiálom, aby mohla počas zaplavenia dýchať. Po potenciálnej záplave umožňuje vertikálny dizajn katóde vyschnúť postupne a nie naraz.

Výsledný palivový článok generoval v priemere 68-krát viac energie, než bolo potrebné na prevádzku jeho senzorov. Bola tiež dostatočne robustná, aby odolala veľkým zmenám pôdnej vlhkosti – od trochu suchej (41 % objemu vody) až po úplne pod vodou.

Sprístupnenie výpočtovej techniky pre každého

Všetky zložky pôdneho MFC možno zakúpiť v miestnom železiarstve, hovoria výskumníci. Ďalej plánujú vyvinúť pôdny MFC vyrobený z plne biologicky odbúrateľných materiálov. Oba návrhy obchádzajú zložité dodávateľské reťazce a vyhýbajú sa používaniu konfliktných minerálov.

„S COVID-19 „Všetci sme si uvedomili, ako môže kríza narušiť globálny dodávateľský reťazec elektroniky,“ povedal spoluautor štúdie Josiah Hester, bývalý člen fakulty na Northwestern University, ktorý teraz pôsobí na Georgia Institute of Technology. „Chceme vytvoriť zariadenia, ktoré využívajú miestne dodávateľské reťazce a lacné materiály, aby bola výpočtová technika dostupná pre všetky komunity.“

Referencia: „Soil-Powered Computing“ od Billa Yena, Laury Gleave, Luisa Gutierreza, Veluthi Sahinidis, Sadie Bernstein, Johna Maddena, Stevena Taylora, Colina Josephsona, Pat Panuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora a Josiah Hester, január 11. 2024, Zborník ACM o interaktívnych, mobilných, nositeľných a všadeprítomných technológiách.
doi: 10.1145/3631410

Štúdiu podporila National Science Foundation (Cena No. CNS-2038853), Agricultural and Food Research Initiative (Award No. 2023-67021-40628) USDA National Institute of Food and Agriculture, Nadácia Alfreda P. Sloana , VMware Research a 3M.