A tudósok új, szennyeződésekkel működő üzemanyagcellát fejlesztenek ki, amely örökké működik

A Northwestern Egyetem által vezetett kutatócsoport új üzemanyagcellát fejlesztett ki, amely a koszban élő mikrobákból nyeri ki az energiát.

Körülbelül egy normál papírkönyv méretű talajalapú technológia a precíziós mezőgazdaságban és a zöld infrastruktúrában használt földalatti szenzorok meghajtására alkalmas. Ez potenciálisan fenntartható, megújuló alternatívát kínál az akkumulátorokhoz, amelyek mérgező és gyúlékony vegyi anyagokat tartalmaznak, amelyek a talajba szivárognak, tele vannak konfliktusokkal sújtott ellátási láncokkal, és hozzájárulnak az egyre növekvő e-hulladék problémájához.

Az új üzemanyagcella teszteléséhez a kutatók a talaj nedvességtartalmát mérő és az érintést észlelő érzékelők táplálására használták, ami értékes lehet az elhaladó állatok nyomon követésében. A vezeték nélküli kommunikáció lehetővé tétele érdekében a kutatók a talajalapú érzékelőt egy kis antennával is felszerelték, amely a meglévő rádiófrekvenciás jelek visszaverésével adatokat továbbít a közeli bázisállomásra.

Az üzemanyagcella nemcsak nedves és száraz körülmények között teljesített, de teljesítménye is 120%-kal meghaladta a hasonló technológiákat.

A kutatás ma (január 12-én) jelenik meg a Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable, and Ubiquitous Technologies folyóiratban. A tanulmány szerzői az összes tervet, oktatóanyagot és szimulációs eszközt nyilvánossá teszik, így mások is használhatják és építhetik a kutatást.

„A Dolgok Internetéhez (IoT) kapcsolódó eszközök száma folyamatosan növekszik” – mondta Bill Yen, a Northwestern Egyetem végzős hallgatója, a munka vezetője. „Ha a jövőt több billió ilyen eszközzel képzeljük el, nem tudjuk mindegyiket megépíteni lítium, nehézfémek és toxinok felhasználásával, amelyek kockázatot jelentenek a környezetre. Olyan alternatívákat kell találnunk, amelyek kis mennyiségben biztosítanak energiát egy decentralizált eszközhálózat táplálására. A megoldások keresése során a talajmikrobiális üzemanyagcellákat vizsgáltuk, amelyek speciális mikrobák segítségével bontják le a talajt, és ezt az alacsony energiát használják fel az érzékelők táplálására. Mindaddig, amíg szerves szén van a talajban a talaj a mikrobák lebomlása számára, az üzemanyagcella potenciálisan örökké fennmaradhat.

Bill Yen, a tanulmány vezető szerzője a Northwestern Egyetem laboratóriumában végzett tesztelés során elásta az üzemanyagcellát. Kredit: Northwestern University

„Ezek a mikrobák mindenhol megtalálhatók. Valójában mindenhol a talajban élnek” – mondta George Wells, a Northwestern Egyetem vezető szerzője. „Nagyon egyszerű mérnöki rendszereket használhatunk villamos energia beszerzésére. Nem látunk el egész városokat ezzel az energiával. A praktikus, alacsony fogyasztású alkalmazások működéséhez azonban kis mennyiségű energiát tudunk felvenni.

Wells a Northwestern's McCormick School of Engineering építő- és környezetmérnöki docense. Most Ph.D. Yin, a Stanford Egyetem hallgatója kezdte ezt a projektet, miközben egyetemi kutatóként dolgozott Wells laboratóriumában.

Megoldások egy piszkos munkára

Az elmúlt években a gazdálkodók világszerte egyre gyakrabban alkalmazták a precíziós mezőgazdaságot a terméshozam javítására szolgáló stratégiaként. A technológia-alapú megközelítés a talaj nedvesség-, tápanyag- és szennyezőanyag-szintjének pontos mérésén alapul, hogy olyan döntéseket hozzon, amelyek elősegítik a termés egészségét. Ehhez az elektronikus eszközök nagy és szétszórt hálózatára van szükség a környezeti adatok folyamatos gyűjtéséhez.

„Ha egy érzékelőt a vadonban, egy farmon vagy egy vizes élőhelyen szeretne elhelyezni, akkor csak akkumulátort helyezhet be, vagy napenergiát gyűjthet be” – mondta Yen. „A napelemek nem működnek jól piszkos környezetben, mert szennyeződés borítja őket, nem működnek, ha nem süt a nap, és sok helyet foglalnak el. Az akkumulátorok azért is kihívást jelentenek, mert lemerülnek A gazdálkodók nem járnak körbe egy 100 hektáros farmon, és rendszeresen cserélik az elemeket, vagy leporolják a napelemeket.

A kihívások leküzdése érdekében Wells, Wayne és munkatársaik azon töprengtek, vajon tudnának-e ehelyett energiát gyűjteni a meglévő környezetből. „Energiát gyűjthetünk be a talajból, amelyet a gazdálkodók egyébként is figyelnek” – mondta Yen.

„Fusztrált erőfeszítések”

Az 1911-ben debütált talajalapú mikrobiális üzemanyagcellák (MFC-k) akkumulátorként működnek – anóddal, katóddal és elektrolittal. De ahelyett, hogy vegyszereket használnának elektromos áram előállítására, az MFC-k elektromosságot gyűjtenek a baktériumoktól, amelyek természetesen elektronokat adnak a közeli vezetőknek. Amikor ezek az elektronok az anódról a katódra áramlanak, elektromos áramkört alkotnak.

Az üzemanyagcellát szennyeződés borítja, miután tanulmányozás céljából kivonták a földből. Köszönet: Bill Yen/Northwestern University

De ahhoz, hogy a mikrobiális üzemanyagcellák zavartalanul működjenek, nedvesnek kell maradniuk, és oxigénnel kell ellátniuk őket, ami nehézkes, ha a föld alá, száraz szennyeződésbe temetik.

„Bár az MSC-k koncepcióként több mint egy évszázada léteznek, megbízhatatlan teljesítményük és alacsony termelési kapacitásuk meghiúsította a gyakorlati hasznosításukra tett erőfeszítéseket, különösen alacsony páratartalmú körülmények között” – mondta Yin.

Nyertes mérnöki munka

Ezeket a kihívásokat szem előtt tartva Yin és csapata kétéves utazásra indult egy praktikus és megbízható talajalapú MFC cella kifejlesztésére. Útja során négy különböző verziót készített – és hasonlított össze –. Először is, a kutatók kilenc hónapnyi adatot gyűjtöttek össze az egyes tervek teljesítményéről. Ezután egy szabadtéri parkban tesztelték a végleges verziót.

A legjobban teljesítő prototípus száraz körülmények között, valamint víz alatti környezetben is jól teljesített. Sikerének titka: a tervezés. A hagyományos kialakítás helyett, ahol az anód és a katód párhuzamos egymással, a győztes üzemanyagcella ortogonális kialakítást alkalmazott.

A szénfilcből készült (egy könnyen elérhető és olcsó vezető a mikrobák elektronjainak rögzítésére), az anód vízszintes a talajhoz képest. A katód közömbös, vezetőképes fémből áll, és függőlegesen az anód felett helyezkedik el.

Bár az egész készülék el van temetve, a függőleges kialakítás biztosítja, hogy a felső vége egy síkban legyen a talajfelszínnel. A készülék tetején 3D nyomtatott burkolat található, amely megakadályozza a törmelék beesését. A tetején lévő lyuk és a katód mellett futó üres légkamra állandó levegőáramlást tesz lehetővé.

A katód alsó vége mélyen a felszín alatt helyezkedik el, biztosítva, hogy nedves maradjon a környező nedves talajtól még akkor is, ha a felső talajréteg napfényben kiszárad. A kutatók a katód egy részét vízszigetelő anyaggal is bevonták, hogy az áradáskor lélegezzen. Egy esetleges elárasztás után a függőleges kialakítás lehetővé teszi, hogy a katód fokozatosan száradjon, nem pedig egyszerre.

Az így kapott üzemanyagcella átlagosan 68-szor több energiát termelt, mint amennyi az érzékelők működéséhez szükséges volt. Elég robusztus volt ahhoz is, hogy ellenálljon a talajnedvesség nagy változásainak – a kissé száraztól (41 térfogat% víz) a teljesen víz alattiig.

A számítástechnika mindenki számára elérhetővé tétele

A kutatók szerint a talajalapú MFC összes összetevője megvásárolható a helyi hardverboltban. Ezt követően egy teljesen biológiailag lebomló anyagokból készült talajalapú MFC kifejlesztését tervezik. Mindkét konstrukció megkerüli az összetett ellátási láncokat, és elkerüli a konfliktusban előforduló ásványok használatát.

„A … val COVID-19 „Mindannyian tudatában vagyunk annak, hogy egy válság hogyan zavarhatja meg a globális elektronikai ellátási láncot” – mondta Josiah Hester, a tanulmány társszerzője, a Northwestern Egyetem korábbi oktatója, aki jelenleg a Georgia Institute of Technology-n dolgozik. „Olyan eszközöket szeretnénk építeni, amelyek helyi ellátási láncokat és olcsó anyagokat használnak, hogy a számítástechnika minden közösség számára elérhető legyen.”

Hivatkozás: „Soil-Powered Computing” Bill Yen, Laura Gleave, Luis Gutierrez, Veluthi Sahinidis, Sadie Bernstein, John Madden, Steven Taylor, Colin Josephson, Pat Panuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora és Josiah Hester, január 11 . 2024, Az ACM közleménye az interaktív, mobil, viselhető és mindenütt jelenlévő technológiákról.
doi: 10.1145/3631410

A tanulmányt a Nemzeti Tudományos Alapítvány (CNS-2038853 díj), az USDA Nemzeti Élelmiszer- és Mezőgazdasági Intézet Mezőgazdasági és Élelmiszerkutatási Kezdeményezése (2023-67021-40628 Díj), az Alfred P. Sloan Alapítvány támogatta. , VMware Research és 3M.