Cercetătorii de la Universitatea Northwestern au creat prima celulă de combustibil din sol capabilă să funcționeze la nesfârșit, extrăgând energie direct din bacteriile subterane. Dispozitivul elimină complet necesitatea bateriilor toxice sau a panourilor solare, promițând să revoluționeze modul în care sunt alimentați senzorii agricoli. Niciuna dintre aceste variante nu este ideală, iar ambele necesită intervenție umană pe teren pentru a remedia problema. Acesta este motivul pentru care majoritatea senzorilor agricoli pur și simplu cedează din cauza limitărilor de alimentare. Până acum.
Această descoperire înseamnă că rețelele de monitorizare din agricultura de precizie vor putea funcționa complet autonom ani la rând, chiar și în condiții de secetă extremă sau inundații, fără costuri umane de mentenanță.
Totuși, cercetătorii de la Universitatea Northwestern au decis să schimbe tactica: în loc să lupte împotriva pământului, au început să se folosească de el. Aceștia au dezvoltat un nou tip de celulă de combustibil care extrage energie electrică direct din bacteriile obișnuite care trăiesc deja în sol. Acest dispozitiv ingenios, de dimensiunea unei cărți în format broșat, generează suficientă energie constantă pentru a alimenta senzorii subterani fără a mai fi nevoie de vreo schimbare a bateriei. Niciodată.
Celula de combustibil și-a demonstrat rezistența uluitoare continuând să funcționeze impecabil atât în perioade de secetă extremă, cât și sub ape, în timpul inundațiilor. Mai mult, a produs de 68 de ori mai multă energie decât era strict necesară pentru propriii senzori. Studiul detaliat a apărut la începutul acestei luni în jurnalul Proceedings of the ACM privind Tehnologii interactive, mobile, purtabile și omniprezente.
Realitatea enervantă a bateriilor descărcate
Agricultura de precizie modernă se bazează masiv pe rețele de senzori care monitorizează constant umiditatea solului, nivelul de nutrienți și potențialii contaminanți. Însă alimentarea lor pe termen lung este un coșmar logistic. Bateriile clasice se descarcă rapid, forțând pe cineva să bată câmpurile la pas pentru a le înlocui, iar panourile solare sunt complet vulnerabile la praf, noroi și absența luminii nocturne.
Bill Yen, care a condus această lucrare în calitate de student în laboratorul lui George Wells, profesor asociat de inginerie civilă și de mediu la Northwestern, a formulat constrângerea de bază: „Dacă vrei să instalezi un senzor în natură, într-o fermă sau într-o zonă umedă, ești obligat să îi pui o baterie sau să folosești energia solară.” (Yen își continuă în prezent studiile ca doctorand la Universitatea Stanford).
Noua invenție ocolește complet această problemă, extrăgând energia din același sol pe care senzorii au misiunea să-l monitorizeze. Atâta timp cât microbii subterani au la dispoziție carbon organic pentru a consuma, sistemul funcționează complet autonom, fără a necesita vreun fel de întreținere.
Cum funcționează o pilă de combustibil microbiană?
O pilă de combustibil microbiană (MFC) funcționează prin captarea electronilor pe care bacteriile îi eliberează natural ca produs secundar în procesul lor metabolic de descompunere a materiei organice din sol.
Conceptul de pile de combustibil microbiene nu este tocmai nou; ideea fascinantă există încă din anul 1911. Acestea operează foarte asemănător cu o baterie simplă, fiind dotate cu un anod, un catod și un electrolit. Diferența revoluționară este că, în loc să folosească substanțe chimice fabricate în laborator, aceste celule captează electronii pe care bacteriile îi eliberează natural pe măsură ce descompun materia organică.
Circuitul este creat atunci când acești electroni curg de la anod către catod. Obstacolul istoric a fost, însă, întotdeauna fiabilitatea. Pentru a rămâne active, bacteriile au nevoie simultan de umiditate și de oxigen, iar menținerea echilibrului perfect al acestor două condiții sub pământ nu este deloc ușoară.
„Deși MFC-urile există ca concept de mai bine de un secol, performanța lor nesigură și puterea de ieșire redusă au împiedicat eforturile de a le utiliza în mod practic, în special în condiții de umiditate scăzută”, a spus Yen.
De ce designul vertical a fost cheia succesului
Echipa de la Northwestern a petrecut doi ani testând riguros patru forme diferite. Versiunea finală care a funcționat cel mai bine a inovat prin poziționarea anodului și a catodului în unghi drept unul față de celălalt.
Anodul, fabricat dintr-o pâslă de carbon extrem de ieftină, este așezat orizontal sub pământ. Catodul, realizat dintr-un metal conductiv, stă în picioare (vertical), astfel încât partea sa superioară să fie perfect la același nivel cu suprafața solului. Un capac ingenios imprimat 3D, prevăzut cu o gaură de aer, blochează pătrunderea resturilor, lăsând în același timp oxigenul vital să intre. Capătul inferior al catodului rămâne îngropat suficient de adânc pentru a se menține umed chiar și atunci când suprafața terenului se usucă complet.
Pentru a-l face invincibil în fața intemperiilor, cercetătorii au acoperit de asemenea o parte a catodului cu un material impermeabil, permițându-i să continue să funcționeze chiar și sub apele unei inundații. Acest design vertical inteligent ajută catodul să se usuce treptat după ce apele se retrag.
În medie, această celulă de combustibil a produs de 68 de ori mai multă energie decât cea necesară pentru funcționarea senzorilor săi integrați. Aceștia măsoară umiditatea solului și pot detecta atingerea fizică, o funcție care ar putea fi esențială pentru urmărirea animalelor care se deplasează printr-un câmp agricol. În plus, echipa a adăugat o mică antenă care transmite datele fără fir, reflectând pur și simplu semnalele de frecvență radio deja existente în mediu.
Suficientă energie pentru ;tiință, nu pentru a alimenta orașe
Desigur, acest sistem nu este destinat să încarce dispozitive electronice mai mari. George Wells, autorul principal al studiului, a fost direct și realist în privința limitelor sistemului, subliniind în același timp uriașele sale beneficii pentru mediu.
„Aceste microorganisme sunt omniprezente; ele trăiesc deja în sol peste tot. Putem folosi sisteme inginerești foarte simple pentru a le capta energia electrică. Nu vom alimenta orașe întregi cu această energie. Dar putem capta cantități infime de energie pentru a alimenta aplicații practice, cu consum redus de energie.”, a spus Wells.
Un detaliu care democratizează complet această inovație: fiecare componentă a celulei de combustibil poate fi cumpărată de la un magazin de bricolaj obișnuit. Echipa de cercetare a publicat deja online proiectele, instrucțiunile detaliate și instrumentele de simulare, astfel încât oricine să poată copia sau modifica tehnologia. Următorul mare pas, potrivit cercetătorilor, este construirea unei versiuni revoluționare din materiale care se descompun natural în sol la finalul ciclului de viață.
Trecerea de la banalele baterii litiu-ion la energia generată de microbi demonstrează că, uneori, cele mai fiabile soluții tehnologice nu se află în laboratoare sterile, ci chiar sub picioarele noastre, în biologia solului.
