Бруд замість акумуляторів: науковці розробили новий паливний елемент на основі ґрунтових мікробів

Паливний елемент, покритий землею після вилучення з ґрунту. Фото: Північно-Західний університет / TechXplore

Науковці з Північно-Західного університету створили паливний елемент, що виробляє електрику за допомогою мікробів, які природно присутні в ґрунті. Пристрій генерує невелику кількість енергії, уловлюючи її під час розкладання органічних матеріалів цими мікроорганізмами.

Сам пристрій має розмір приблизно з книгу в м’якій обкладинці. Ця система, що працює на ґрунтовій енергії, призначена для живлення підземних датчиків, які використовуються в точному землеробстві та екологічному моніторингу. Вона є потенційною альтернативою традиційним батареям, що містять токсичні та легкозаймисті матеріали, залежать від складних глобальних ланцюгів постачання та сприяють збільшенню електронних відходів.

Надрукований на 3D-принтері ковпак паливного елемента виглядає з-під землі. Ковпак захищає пристрій від сміття та забезпечує циркуляцію повітря. Фото: Північно-Західний університет / Science Daily

Дослідження опубліковано у “Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies”. Науковці також поділилися своїми проектами, навчальними матеріалами та інструментами симуляції, щоб інші могли продовжити цю роботу.

Живлення датчиків без батарейок

Щоб продемонструвати можливості пристрою, команда використала паливний елемент для живлення датчиків, що вимірюють вологість ґрунту та визначають дотик. Ця здатність виявляти дотик може допомогти відстежувати переміщення диких тварин, наприклад, тварин, що проходять через поле. Система також має невелику антену, яка бездротово передає дані, відбиваючи наявні радіочастотні сигнали, що підтримує надзвичайно низьке споживання енергії.

Провідний дослідник Білл Єн у лабораторії Північно-Західного університету. Фото: Північно-Західний університет / TechXplore

Пристрій продемонстрував надійність у різноманітних умовах. Він функціонував як у сухому ґрунті, так і у затопленому середовищі, забезпечуючи більш тривалу потужність у порівнянні з аналогічними системами — приблизно на 120% довше.

Чому ґрунтові мікроби важливі для Інтернету речей

Кількість пристроїв в Інтернеті речей (IoT) постійно зростає. Якщо уявити майбутнє з трильйонами таких пристроїв, ми не можемо виготовляти кожен з них з літію, важких металів і токсичних матеріалів, які є небезпечними для навколишнього середовища.

“Нам потрібно знайти альтернативи, які можуть забезпечити невелику кількість енергії для живлення децентралізованої мережі пристроїв. У пошуках рішень ми звернулися до мікробних паливних елементів на основі ґрунту, які використовують спеціалізовані мікроби для розкладання ґрунту й застосовують цю невелику кількість енергії для живлення датчиків. Доки в ґрунті є органічний вуглець, який мікроби можуть розкладати, паливний елемент потенційно може працювати вічно”, — зазначив випускник Північно-Західного університету Білл Єн, який очолив дослідження.

Мікробні паливні елементи, відомі також як MFC, функціонують подібно до батарейок. Вони містять анод, катод і електроліт, але замість хімічних реакцій покладаються на бактерії, які природно виділяють електрони. Коли ці електрони проходять через систему, вони генерують електричний струм.

“Ці мікроби є повсюдними — вони вже живуть у ґрунті скрізь. Ми можемо використовувати дуже прості інженерні системи, щоб уловлювати їхню електрику”, — пояснює Джордж Веллс з Північно-Західного університету, старший автор дослідження.

Проблеми датчиків на сонячній енергії та батарейках

Точне землеробство потребує великих мереж датчиків, які постійно контролюють стан ґрунту: вологість, поживні речовини та забруднювачі. Ці дані допомагають фермерам приймати більш обґрунтовані рішення та підвищувати врожайність.

СпецпроєктиBROCARD: як б’юті-ритейлер розвиває мобільний продукт — огляд застосунку та Великодньої гейміфікаціїВід смартгодинників до захищених смартфонів: на AliExpress стартував великий розпродаж Blackview зі знижками до 55%

Проте живлення цих датчиків є серйозною проблемою. Батарейки з часом розряджаються і потребують заміни, що є нераціональним на великих фермах. Сонячні панелі також можуть бути ненадійними, оскільки забруднюються, потребують сонячного світла та займають багато місця.

“Якщо ви хочете встановити датчик на природі, на фермі чи у водно-болотному угідді, ви обмежені необхідністю встановити батарейку або збирати сонячну енергію. Сонячні панелі погано працюють у брудному середовищі, оскільки покриваються брудом, не працюють, коли немає сонця, і займають багато місця. Батарейки також є проблемою, бо розряджаються. Фермери не будуть обходити ферму в 100 акрів, щоб регулярно замінювати батарейки або відтирати сонячні панелі”, — говорить Єн.

Натомість дослідники зосередилися на безпосередньому видобутку енергії з самого ґрунту, перетворюючи навколишнє середовище на джерело живлення.

Чому попередні мікробні паливні елементи не виправдали очікувань

Мікробні паливні елементи на основі ґрунту існують з 1911 року, але мали труднощі з забезпеченням стабільної роботи. Цим системам потрібні і вологість, і кисень для нормального функціонування, що може бути важко підтримати під землею, особливо в сухих умовах.

“Хоча MFC існують як концепція вже понад століття, їхня ненадійна робота та низька вихідна потужність заважали знайти їм практичне застосування, особливо в умовах низької вологості”, — додає Єн.

Нова конструкція покращує продуктивність

Щоб вирішити ці проблеми, команда витратила два роки на розробку та тестування різних конструкцій. Вони порівняли чотири варіанти та зібрали дев’ять місяців даних про продуктивність, перш ніж обрати фінальний прототип, який вони випробовували на відкритому повітрі.

Прорив стався завдяки зміні геометрії. Замість паралельного розташування анода і катода нова конструкція розміщує їх перпендикулярно. Анод, виготовлений із вуглецевого фетру (недорогого, широко доступного провідника для уловлювання електронів мікробів), розташовується горизонтально під ґрунтом. Катод, виготовлений із провідного металу, простягається вертикально до поверхні.

“Ми не збираємося живити цілі міста цією енергією. Але ми можемо уловлювати мінімальні кількості енергії для забезпечення практичних, маломіцних застосувань”, — зауважує Веллс.

Ця структура допомагає вирішити кілька проблем одночасно. Верхня частина пристрою залишається відкритою для повітря, забезпечуючи постійне надходження кисню. Водночас нижня частина залишається захованою у вологому ґрунті, підтримуючи зволоженість навіть у сухих умовах. Захисний ковпак запобігає потраплянню сміття, тоді як невелика повітряна камера забезпечує циркуляцію повітря.

Конструкція також підвищує стійкість під час повеней. Водонепроникне покриття дозволяє катоду продовжувати функціонувати, а вертикальне розташування допомагає йому поступово висихати після відступу води.

Випускник Північно-Західного університету Білл Єн закопує паливний елемент. Фото: Північно-Західний університет / Data Center Dynamics

Переконливі результати в реальних умовах

Фінальний прототип показав хороші результати в різноманітних умовах ґрунту — від помірно сухого (41% води за об’ємом) до повністю затоплених середовищ. У середньому він генерував у 68 разів більше енергії, ніж необхідно для роботи датчиків.

Ці результати свідчать про те, що система є достатньо надійною для реального використання на сільськогосподарських полях або в природних середовищах.

<img