Ερευνητές του Northwestern University εισήγαγαν μια κυψέλη καυσίμου που λειτουργεί με μικρόβια εδάφους, υπερτερώντας σημαντικά παρόμοιες τεχνολογίες και παρέχοντας μια βιώσιμη λύση για την τροφοδοσία συσκευών χαμηλής ενέργειας, με πλήρη πρόσβαση του κοινού στα σχέδιά της για ευρεία εφαρμογή. Το τρισδιάστατο εκτυπωμένο καπάκι της κυψέλης καυσίμου κρυφοκοιτάζει πάνω από το έδαφος. Το καπάκι κρατά τα συντρίμμια έξω από τη συσκευή ενώ επιτρέπει τη ροή του αέρα. Πίστωση: Bill Yen/Πανεπιστήμιο Northwestern
ΕΝΑ Πανεπιστήμιο NorthwesternΗ ομάδα ερευνητών έχει αναπτύξει μια νέα κυψέλη καυσίμου που συλλέγει ενέργεια από μικρόβια που ζουν στη βρωμιά.
Περίπου στο μέγεθος ενός τυπικού βιβλίου με χαρτόδετο βιβλίο, η τεχνολογία που τροφοδοτείται πλήρως από το έδαφος θα μπορούσε να τροφοδοτήσει υπόγειους αισθητήρες που χρησιμοποιούνται στη γεωργία ακριβείας και στις πράσινες υποδομές. Αυτό θα μπορούσε ενδεχομένως να προσφέρει μια βιώσιμη, ανανεώσιμη εναλλακτική λύση στις μπαταρίες, οι οποίες συγκρατούν τοξικές, εύφλεκτες χημικές ουσίες που εκπλένονται στο έδαφος, είναι γεμάτες από συγκρούσεις εφοδιαστικές αλυσίδες και συμβάλλουν στο διαρκώς αυξανόμενο πρόβλημα των ηλεκτρονικών απορριμμάτων.
Για να δοκιμάσουν τη νέα κυψέλη καυσίμου, οι ερευνητές τη χρησιμοποίησαν για να τροφοδοτήσουν αισθητήρες που μετρούν την υγρασία του εδάφους και ανιχνεύουν την επαφή, μια ικανότητα που θα μπορούσε να είναι πολύτιμη για την παρακολούθηση διερχόμενων ζώων. Για να καταστεί δυνατή η ασύρματη επικοινωνία, οι ερευνητές εξόπλισαν επίσης τον αισθητήρα εδάφους με μια μικροσκοπική κεραία για τη μετάδοση δεδομένων σε έναν γειτονικό σταθμό βάσης αντανακλώντας υπάρχοντα σήματα ραδιοσυχνοτήτων.
Όχι μόνο η κυψέλη καυσίμου λειτούργησε τόσο σε υγρές όσο και σε στεγνές συνθήκες, αλλά η ισχύς της ξεπέρασε επίσης παρόμοιες τεχνολογίες κατά 120%.
Η έρευνα θα δημοσιευθεί σήμερα (12 Ιανουαρίου) στο Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable, and Ubiquitous Technologies. Οι συγγραφείς της μελέτης επίσης δημοσιεύουν όλα τα σχέδια, τα σεμινάρια και τα εργαλεία προσομοίωσης στο κοινό, έτσι ώστε άλλοι να μπορούν να χρησιμοποιήσουν και να βασιστούν στην έρευνα.
«Ο αριθμός των συσκευών στο Internet of Things (IoT) αυξάνεται συνεχώς», δήλωσε ο απόφοιτος του Northwestern Bill Yen, ο οποίος ηγήθηκε της εργασίας. «Αν φανταζόμαστε ένα μέλλον με τρισεκατομμύρια από αυτές τις συσκευές, δεν μπορούμε να κατασκευάσουμε καθεμία από αυτές από λίθιο, βαρέα μέταλλα και τοξίνες που είναι επικίνδυνες για το περιβάλλον. Πρέπει να βρούμε εναλλακτικές λύσεις που μπορούν να παρέχουν χαμηλές ποσότητες ενέργειας για την τροφοδοσία ενός αποκεντρωμένου δικτύου συσκευών. Σε μια αναζήτηση λύσεων, εξετάσαμε τις μικροβιακές κυψέλες καυσίμου του εδάφους, οι οποίες χρησιμοποιούν ειδικά μικρόβια για να διασπούν το έδαφος και χρησιμοποιούν αυτή τη χαμηλή ποσότητα ενέργειας για την τροφοδοσία αισθητήρων. Όσο υπάρχει οργανικός άνθρακας στο έδαφος για να διασπαστούν τα μικρόβια, η κυψέλη καυσίμου μπορεί να διαρκέσει για πάντα».
Ο Bill Yen, ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, έθαψε την κυψέλη καυσίμου κατά τη διάρκεια δοκιμών στο εργαστήριο του Πανεπιστημίου Northwestern. Πίστωση: Πανεπιστήμιο Northwestern
«Αυτά τα μικρόβια είναι πανταχού παρόντα. ζουν ήδη στο έδαφος παντού», δήλωσε ο George Wells του Northwestern, ανώτερος συγγραφέας της μελέτης. «Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πολύ απλά μηχανικά συστήματα για να συλλάβουμε την ηλεκτρική τους ενέργεια. Δεν πρόκειται να τροφοδοτήσουμε ολόκληρες πόλεις με αυτή την ενέργεια. Αλλά μπορούμε να συλλάβουμε ελάχιστες ποσότητες ενέργειας για να τροφοδοτήσουμε πρακτικές εφαρμογές χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας».
Ο Wells είναι αναπληρωτής καθηγητής πολιτικών και περιβαλλοντικών μηχανικών στη Σχολή Μηχανικών McCormick του Northwestern. Τώρα ένα Ph.D. φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, ο Γιεν ξεκίνησε αυτό το έργο όταν ήταν προπτυχιακός ερευνητής στο εργαστήριο του Γουέλς.
Λύσεις για μια βρώμικη δουλειά
Τα τελευταία χρόνια, οι αγρότες σε όλο τον κόσμο έχουν υιοθετήσει όλο και περισσότερο τη γεωργία ακριβείας ως στρατηγική για τη βελτίωση των αποδόσεων των καλλιεργειών. Η προσέγγιση που βασίζεται στην τεχνολογία βασίζεται στη μέτρηση ακριβών επιπέδων υγρασίας, θρεπτικών ουσιών και ρύπων στο έδαφος για τη λήψη αποφάσεων που βελτιώνουν την υγεία των καλλιεργειών. Αυτό απαιτεί ένα εκτεταμένο, διάσπαρτο δίκτυο ηλεκτρονικών συσκευών για τη συνεχή συλλογή περιβαλλοντικών δεδομένων.
“Αν θέλετε να βάλετε έναν αισθητήρα στη φύση, σε ένα αγρόκτημα ή σε έναν υγρότοπο, είστε περιορισμένοι να τοποθετήσετε μια μπαταρία σε αυτόν ή να συλλέξετε ηλιακή ενέργεια”, είπε ο Yen. «Οι ηλιακοί συλλέκτες δεν λειτουργούν καλά σε βρώμικα περιβάλλοντα επειδή καλύπτονται από βρωμιά, δεν λειτουργούν όταν ο ήλιος δεν είναι έξω και καταλαμβάνουν πολύ χώρο. Οι μπαταρίες είναι επίσης προκλητικές επειδή τελειώνουν από την ισχύ τους. Οι αγρότες δεν πρόκειται να περιηγηθούν σε ένα αγρόκτημα 100 στρεμμάτων για να ανταλλάσσουν τακτικά μπαταρίες ή να ξεσκονίζουν τα ηλιακά πάνελ».
Για να ξεπεράσουν αυτές τις προκλήσεις, οι Wells, Yen και οι συνεργάτες τους αναρωτήθηκαν αν θα μπορούσαν να αντλήσουν ενέργεια από το υπάρχον περιβάλλον. «Θα μπορούσαμε να συλλέξουμε ενέργεια από το έδαφος που παρακολουθούν οι αγρότες ούτως ή άλλως», είπε ο Γιεν.
«Προσφραγισμένες προσπάθειες»
Κάνοντας την πρώτη τους εμφάνιση το 1911, οι μικροβιακές κυψέλες καυσίμου με βάση το έδαφος (MFCs) λειτουργούν σαν μπαταρία — με άνοδο, κάθοδο και ηλεκτρολύτη. Αλλά αντί να χρησιμοποιούν χημικά για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, τα MFC συλλέγουν ηλεκτρική ενέργεια από βακτήρια που φυσικά δωρίζουν ηλεκτρόνια σε κοντινούς αγωγούς. Όταν αυτά τα ηλεκτρόνια ρέουν από την άνοδο προς την κάθοδο, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό κύκλωμα.
Η κυψέλη καυσίμου, καλυμμένη με ακαθαρσίες μετά την εξαγωγή από το έδαφος για μελέτες. Πίστωση: Bill Yen/Πανεπιστήμιο Northwestern
Προκειμένου όμως οι μικροβιακές κυψέλες καυσίμου να λειτουργούν χωρίς διακοπή, πρέπει να παραμείνουν ενυδατωμένες και οξυγονωμένες – κάτι που είναι δύσκολο όταν θάβονται υπόγεια μέσα σε ξηρή βρωμιά.
«Παρόλο που τα MFC υπάρχουν ως ιδέα για περισσότερο από έναν αιώνα, η αναξιόπιστη απόδοσή τους και η χαμηλή ισχύς εξόδου παρεμπόδισαν τις προσπάθειες για πρακτική χρήση τους, ειδικά σε συνθήκες χαμηλής υγρασίας», είπε ο Yen.
Γεωμετρία που κερδίζει
Έχοντας κατά νου αυτές τις προκλήσεις, ο Yen και η ομάδα του ξεκίνησαν ένα ταξίδι δύο ετών για να αναπτύξουν ένα πρακτικό, αξιόπιστο MFC με βάση το έδαφος. Η αποστολή του περιελάμβανε τη δημιουργία — και τη σύγκριση — τεσσάρων διαφορετικών εκδόσεων. Αρχικά, οι ερευνητές συνέλεξαν συνολικά εννέα μήνες δεδομένων σχετικά με την απόδοση κάθε σχεδίου. Στη συνέχεια, δοκίμασαν την τελική τους έκδοση σε έναν υπαίθριο κήπο.
Το πρωτότυπο με τις καλύτερες επιδόσεις λειτούργησε καλά σε ξηρές συνθήκες καθώς και σε περιβάλλον γεμάτο νερό. Το μυστικό πίσω από την επιτυχία του: Η γεωμετρία του. Αντί να χρησιμοποιεί έναν παραδοσιακό σχεδιασμό, στον οποίο η άνοδος και η κάθοδος είναι παράλληλες μεταξύ τους, η κυψέλη καυσίμου που κέρδισε χρησιμοποίησε μια κάθετη σχεδίαση.
Κατασκευασμένη από τσόχα άνθρακα (ένας φθηνός, άφθονος αγωγός για τη σύλληψη των ηλεκτρονίων των μικροβίων), η άνοδος είναι οριζόντια στην επιφάνεια του εδάφους. Κατασκευασμένη από ένα αδρανές, αγώγιμο μέταλλο, η κάθοδος βρίσκεται κάθετα πάνω στην άνοδο.
Αν και ολόκληρη η συσκευή είναι θαμμένη, ο κατακόρυφος σχεδιασμός διασφαλίζει ότι το επάνω άκρο είναι στο ίδιο επίπεδο με την επιφάνεια του εδάφους. Ένα τρισδιάστατο εκτυπωμένο καπάκι στηρίζεται στην κορυφή της συσκευής για να αποτρέψει την πτώση των συντριμμιών στο εσωτερικό. Και μια τρύπα στην κορυφή και ένας άδειος θάλαμος αέρα που τρέχει δίπλα στην κάθοδο επιτρέπουν τη συνεπή ροή αέρα.
Το κάτω άκρο της καθόδου παραμένει φωλιασμένο βαθιά κάτω από την επιφάνεια, διασφαλίζοντας ότι παραμένει ενυδατωμένο από το υγρό, περιβάλλον έδαφος — ακόμη και όταν το επιφανειακό έδαφος στεγνώνει στο φως του ήλιου. Οι ερευνητές επικάλυψαν επίσης μέρος της καθόδου με στεγανωτικό υλικό για να της επιτρέψουν να αναπνέει κατά τη διάρκεια μιας πλημμύρας. Και, μετά από μια πιθανή πλημμύρα, ο κατακόρυφος σχεδιασμός επιτρέπει στην κάθοδο να στεγνώσει σταδιακά και όχι ταυτόχρονα.
Κατά μέσο όρο, η κυψέλη καυσίμου που προέκυψε παρήγαγε 68 φορές περισσότερη ισχύ από αυτή που χρειαζόταν για τη λειτουργία των αισθητήρων της. Ήταν επίσης αρκετά στιβαρό ώστε να αντέχει σε μεγάλες αλλαγές στην υγρασία του εδάφους – από κάπως ξηρό (41% νερό κατ’ όγκο) έως εντελώς υποβρύχιο.
Κάνοντας τους υπολογιστές προσβάσιμους
Οι ερευνητές λένε ότι όλα τα εξαρτήματα για το MFC με βάση το έδαφος μπορούν να αγοραστούν σε ένα τοπικό κατάστημα υλικού. Στη συνέχεια, σχεδιάζουν να αναπτύξουν ένα MFC με βάση το έδαφος, κατασκευασμένο από πλήρως βιοδιασπώμενα υλικά. Και τα δύο σχέδια παρακάμπτουν τις περίπλοκες αλυσίδες εφοδιασμού και αποφεύγουν τη χρήση ορυκτών συγκρούσεων.
“Με την COVID 19 πανδημία, όλοι εξοικειωθήκαμε με το πώς μια κρίση μπορεί να διαταράξει την παγκόσμια αλυσίδα εφοδιασμού ηλεκτρονικών ειδών», δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Josiah Hester, πρώην μέλος ΔΕΠ του Northwestern που τώρα βρίσκεται στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια. «Θέλουμε να κατασκευάσουμε συσκευές που χρησιμοποιούν τοπικές αλυσίδες εφοδιασμού και υλικά χαμηλού κόστους, έτσι ώστε η πληροφορική να είναι προσβάσιμη για όλες τις κοινότητες».
Αναφορά: «Soil-Powered Computing» των Bill Yen, Laura Jaliff, Louis Gutierrez, Philothei Sahinidis, Sadie Bernstein, John Madden, Stephen Taylor, Colleen Josephson, Pat Pannuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora και Josiah Hester, 2024, Πρακτικά του ACM για τις διαδραστικές, κινητές, φορητές και πανταχού παρούσες τεχνολογίες.
DOI: 10.1145/3631410
Η μελέτη υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (αριθμός βραβείου CNS-2038853), το Agricultural and Food Research Initiative (αριθμός βραβείου 2023-67021-40628) από το Εθνικό Ινστιτούτο Τροφίμων και Γεωργίας του USDA, το Ίδρυμα Alfred P. Sloan, VMware Έρευνα και 3Μ.