Научници развијају нову гориву ћелију на погон прљавштине која ради заувек

Тим истраживача предвођен Универзитетом Нортхвестерн развио је нову гориву ћелију која прикупља енергију од микроба који живе у прљавштини.

Отприлике величине обичне папирне књиге, технологија заснована на земљишту могла би да напаја подземне сензоре који се користе у прецизној пољопривреди и зеленој инфраструктури. Ово потенцијално пружа одрживу, обновљиву алтернативу батеријама, које садрже токсичне и запаљиве хемикалије које се испирају у земљу, пуне су ланаца снабдевања прожетих сукобима и доприносе све већем проблему е-отпада.

Да би тестирали нову горивну ћелију, истраживачи су је користили за напајање сензора који мере влагу у земљишту и детектују додир, способност која би могла бити драгоцена за праћење животиња у пролазу. Да би омогућили бежичну комуникацију, истраживачи су такође опремили сензор заснован на тлу малом антеном за пренос података до оближње базне станице рефлектујући постојеће сигнале радио фреквенције.

Не само да је горивна ћелија радила у влажним и сувим условима, већ је и њена снага премашила сличне технологије за 120%.

Истраживање ће бити објављено данас (12. јануара) у Процеедингс оф тхе Ассоциатион фор Цомпутинг Мацхинери он Интерацтиве, Мобиле, Веарабле, анд Убикуитоус Тецхнологиес. Аутори студије такође објављују све дизајне, туторијале и алате за симулацију, тако да други могу да користе и надограђују истраживање.

„Број уређаја повезаних на Интернет ствари (ИоТ) стално расте“, рекао је Билл Иен, дипломирани студент Универзитета Нортхвестерн који је водио рад. „Ако замислимо будућност са трилионима ових уређаја, нећемо моћи да направимо сваки од њих користећи литијум, тешке метале и токсине који представљају ризик за животну средину. Морамо пронаћи алтернативе које могу обезбедити мале количине енергије за напајање децентрализоване мреже уређаја. У нашој потрази за решењима, погледали смо микробне горивне ћелије у тлу, које користе посебне микробе да разбију тло и користе ту малу количину енергије за напајање сензора. Све док постоји органски угљеник у тлу да би се микроби разбили, горивна ћелија потенцијално може трајати заувек.

Билл Иен, водећи аутор студије, закопао је гориву ћелију током тестирања у лабораторији на Универзитету Нортхвестерн. Кредит: Нортхвестерн Университи

„Ови микроби су свуда. Они заправо живе у тлу свуда“, рекао је Џорџ Велс са Универзитета Нортхвестерн, виши аутор студије. „Можемо да користимо веома једноставне инжењерске системе за добијање струје. Нећемо снабдевати читаве градове овом енергијом. Али можемо да ухватимо мале количине енергије за напајање практичних апликација мале енергије.

Велс је ванредни професор грађевинског и еколошког инжењерства на Нортхвестерн'с МцЦормицк Сцхоол оф Енгинееринг. Сада Пх.Д. Јин, студент на Универзитету Станфорд, започео је овај пројекат док је био додипломски истраживач у Велсовој лабораторији.

Решења за прљав посао

Последњих година фармери широм света све више прихватају прецизну пољопривреду као стратегију за побољшање приноса усева. Приступ заснован на технологији ослања се на мерење прецизних нивоа влаге, хранљивих материја и загађивача у земљишту како би се донеле одлуке које промовишу здравље усева. Ово захтева велику и дисперзовану мрежу електронских уређаја за континуирано прикупљање података о животној средини.

„Ако желите да поставите сензор у дивљини, или на фарми, или у мочвару, ограничени сте на стављање батерије у њега или прикупљање сунчеве енергије“, рекао је Јин. „Соларни панели не раде добро у прљавом окружењу јер су прекривени прљавштином, не раде када сунце није напољу и заузимају много простора. Батерије су такође изазов јер остају без струје Пољопривредници неће ходати по фарми од 100 јутара редовно мењајући батерије или соларне панеле за прашину.

Да би превазишли ове изазове, Велс, Вејн и њихови сарадници су се питали да ли би уместо тога могли да сакупљају енергију из постојећег окружења. „Можемо да сакупљамо енергију из тла које фармери ионако прате“, рекао је Јин.

'Фрустрирани напори'

Дебитујући 1911. године, микробне горивне ћелије засноване на тлу (МФЦ) раде као батерија – са анодом, катодом и електролитом. Али уместо да користе хемикалије за производњу електричне енергије, МФЦ сакупљају електричну енергију од бактерија које природно донирају електроне оближњим проводницима. Када ови електрони теку од аноде до катоде, они формирају електрично коло.

Горивна ћелија је прекривена прљавштином након што је извађена из земље ради проучавања. Заслуге: Билл Иен/Нортхвестерн Университи

Али да би микробне горивне ћелије функционисале без прекида, оне морају да остану влажне и снабдевене кисеоником, што је тешко када су закопане под земљом у сувој прљавштини.

„Иако МСЦ-ови постоје као концепт више од једног века, њихове непоуздане перформансе и низак производни капацитет осујетили су напоре да се они практично користе, посебно у условима ниске влажности“, рекао је Јин.

Победнички инжењеринг

Имајући на уму ове изазове, Јин и његов тим су кренули на двогодишње путовање како би развили практичну и поуздану МФЦ ћелију засновану на тлу. Његово путовање укључивало је стварање – и упоређивање – четири различите верзије. Прво, истраживачи су прикупили девет месеци података о перформансама сваког дизајна. Затим су тестирали своју коначну верзију у парку на отвореном.

Прототип са најбољим перформансама показао се добро у сувим условима, као иу потопљеном окружењу. Тајна иза његовог успеха: његов инжењеринг. Уместо коришћења традиционалног дизајна, где су анода и катода паралелне једна са другом, победничка горивна ћелија је користила ортогонални дизајн.

Направљена од угљеничног филца (лако доступан и јефтин проводник за хватање електрона микроба), анода је хоризонтална у односу на тло. Катода се састоји од инертног, проводног метала и постављена је вертикално изнад аноде.

Иако је цео уређај закопан, вертикални дизајн обезбеђује да горњи крај буде у равни са површином земље. На врху уређаја се налази поклопац одштампан 3Д како би се спречило да крхотине упадну унутра. Рупа на врху и празна ваздушна комора која иде поред катоде омогућавају сталан проток ваздуха.

Доњи крај катоде остаје постављен дубоко испод површине, осигуравајући да остане влажан од околног влажног тла, чак и када се горњи слој земље суши на сунчевој светлости. Истраживачи су такође обложили део катоде хидроизолационим материјалом како би јој омогућили да дише током поплаве. Након потенцијалне поплаве, вертикални дизајн омогућава да се катода суши постепено, а не одједном.

У просеку, резултујућа горивна ћелија је генерисала 68 пута више енергије него што је била потребна за рад њених сензора. Такође је био довољно робустан да издржи велике промене у влажности земљишта – од донекле суве (41% воде по запремини) до потпуно под водом.

Учинити рачунар доступним свима

Све компоненте МФЦ-а на бази тла могу се купити у локалној продавници хардвера, кажу истраживачи. Затим планирају да развију МФЦ на тлу од потпуно биоразградивих материјала. Оба дизајна заобилазе сложене ланце снабдевања и избегавају употребу конфликтних минерала.

„Са COVID-19 „Сви смо постали свесни како криза може да поремети глобални ланац снабдевања електроником“, рекао је коаутор студије Џосаја Хестер, бивши члан факултета на Универзитету Нортхвестерн, који сада ради на Технолошком институту Џорџије. „Желимо да направимо уређаје који користе локалне ланце снабдевања и јефтине материјале тако да рачунарство буде доступно свим заједницама.

Референца: „Соил-Поверед Цомпутинг“ Билл Иен, Лаура Глеаве, Луис Гутиеррез, Велутхи Сахинидис, Садие Бернстеин, Јохн Мадден, Стевен Таилор, Цолин Јосепхсон, Пат Пануто, Веитао Схуаи, Георге Веллс, Ниведита Арора и Јосиах Хестер, Јануар 11 . 2024, Зборник радова АЦМ-а о интерактивним, мобилним, носивим и свеприсутним технологијама.
дои: 10.1145/3631410

Студију је подржала Национална научна фондација (награда бр. ЦНС-2038853), Иницијатива за истраживање пољопривреде и хране (награда бр. 2023-67021-40628) Националног института за храну и пољопривреду УСДА, Фондација Алфред П. Слоан , ВМваре Ресеарцх и 3М.