Учените разработват нова захранвана с мръсотия горивна клетка, която работи вечно

Екип от изследователи, ръководен от Северозападния университет, разработи нова горивна клетка, която събира енергия от микроби, живеещи в мръсотия.

Приблизително с размера на обикновена хартиена книга, базираната на почвата технология може да захранва подземни сензори, използвани в прецизното земеделие и зелената инфраструктура. Това потенциално осигурява устойчива, възобновяема алтернатива на батериите, които съдържат токсични и запалими химикали, които се просмукват в земята, изпълнени са с конфликтни вериги за доставки и допринасят за непрекъснато нарастващия проблем с електронните отпадъци.

За да тестват новата горивна клетка, изследователите я използваха за захранване на сензори, които измерват влажността на почвата и откриват докосване, възможност, която може да бъде ценна за проследяване на преминаващи животни. За да осигурят безжични комуникации, изследователите оборудваха базирания на почвата сензор с малка антена за предаване на данни към близка базова станция чрез отразяване на съществуващи радиочестотни сигнали.

Не само, че горивната клетка се представи в мокри и сухи условия, но нейната мощност също надвишава подобни технологии със 120%.

Изследването ще бъде публикувано днес (12 януари) в сборника на Асоциацията за компютърни машини за интерактивни, мобилни, носими и повсеместни технологии. Авторите на изследването също така правят публични всички проекти, уроци и инструменти за симулация, така че другите да могат да използват и надграждат изследването.

„Броят на устройствата, свързани с Интернет на нещата (IoT), непрекъснато нараства“, каза Бил Йен, студент от Северозападния университет, който ръководи работата. „Ако си представим бъдеще с трилиони от тези устройства, няма да можем да изградим всяко от тях, използвайки литий, тежки метали и токсини, които представляват риск за околната среда. Трябва да намерим алтернативи, които могат да осигурят ниски количества енергия за захранване на децентрализирана мрежа от устройства. В нашето търсене на решения разгледахме почвени микробни горивни клетки, които използват специални микроби, за да разграждат почвата и използват това малко количество енергия за захранване на сензори. Докато има органичен въглерод в почвата, за да се разградят микробите, горивната клетка може потенциално да продължи вечно.

Бил Йен, водещият автор на изследването, зарови горивната клетка по време на тестване в лабораторията на Северозападния университет. Кредит: Северозападен университет

„Тези микроби са навсякъде. Те всъщност живеят в почвата навсякъде“, каза Джордж Уелс от Северозападния университет, старши автор на изследването. „Можем да използваме много прости инженерни системи, за да получим електричество. Няма да захранваме цели градове с тази енергия. Но можем да улавяме малки количества енергия, за да захранваме практични приложения с ниска мощност.

Уелс е доцент по гражданско и екологично инженерство в Инженерното училище McCormick на Northwestern. Сега докторска степен. Ин, студент в Станфордския университет, започна този проект, докато беше студент в лабораторията на Уелс.

Решения за мръсна работа

През последните години фермерите по света все повече приемат прецизното земеделие като стратегия за подобряване на добивите. Технологичният подход разчита на измерване на прецизни нива на влага, хранителни вещества и замърсители в почвата, за да се вземат решения, които насърчават здравето на културите. Това изисква голяма и разпръсната мрежа от електронни устройства за непрекъснато събиране на данни за околната среда.

„Ако искате да поставите сензор в пустинята, или във ферма, или във влажна зона, вие сте ограничени до поставянето на батерия в него или събирането на слънчева енергия“, каза Ин. „Слънчевите панели не работят добре в мръсна среда, защото са покрити с мръсотия, не работят, когато слънцето не е навън, и заемат много място. Батериите също са предизвикателство, защото се изтощават Фермерите няма да се разхождат из ферма от 100 акра, като редовно сменят батериите или почистват слънчевите панели от прах.

За да преодолеят тези предизвикателства, Уелс, Уейн и техните сътрудници се чудеха дали вместо това могат да събират енергия от съществуващата среда. „Можем да събираме енергия от почвата, която фермерите така или иначе наблюдават“, каза Ин.

„Разочаровани усилия“

Дебютирайки през 1911 г., почвените микробни горивни клетки (MFC) работят като батерия – с анод, катод и електролит. Но вместо да използват химикали за генериране на електричество, MFC събират електричество от бактерии, които естествено даряват електрони на близките проводници. Когато тези електрони преминават от анода към катода, те образуват електрическа верига.

Горивната клетка е покрита с мръсотия, след като е извадена от земята за изследвания. Кредит: Бил Йен/Северозападен университет

Но за да могат микробните горивни клетки да работят без прекъсване, те трябва да останат влажни и снабдени с кислород, което е трудно, когато са заровени под земята в суха мръсотия.

„Въпреки че MSC съществуват като концепция повече от век, тяхната ненадеждна производителност и нисък производствен капацитет осуетиха усилията за практическото им използване, особено при условия на ниска влажност“, каза Ин.

Печеливш инженеринг

Имайки предвид тези предизвикателства, Ин и неговият екип предприеха двугодишно пътуване, за да разработят практична и надеждна базирана на почва MFC клетка. Пътуването му включваше създаване и сравняване на четири различни версии. Първо, изследователите събраха девет месеца данни за ефективността на всеки дизайн. След това тестваха окончателната си версия в открит парк.

Най-добре представящият се прототип се представи добре в сухи условия, както и в потопена среда. Тайната зад неговия успех: неговото инженерство. Вместо да използва традиционния дизайн, при който анодът и катодът са успоредни един на друг, печелившата горивна клетка използва ортогонален дизайн.

Изработен от въглероден филц (лесно достъпен и евтин проводник за улавяне на микробни електрони), анодът е хоризонтален спрямо земята. Катодът се състои от инертен, проводим метал и е разположен вертикално над анода.

Въпреки че цялото устройство е заровено, вертикалният дизайн гарантира, че горният край е изравнен с повърхността на земята. В горната част на устройството има 3D отпечатан капак, който предотвратява попадането на отпадъци вътре. Отворът в горната част и празната въздушна камера, минаваща до катода, позволяват постоянен въздушен поток.

Долният край на катода остава разположен дълбоко под повърхността, като гарантира, че остава влажен от околната влажна почва, дори когато горният почвен слой изсъхне на слънчева светлина. Изследователите също покриват част от катода с хидроизолационен материал, за да му позволят да диша по време на наводнение. След потенциално наводнение вертикалният дизайн позволява на катода да изсъхне постепенно, а не наведнъж.

Средно получената горивна клетка генерира 68 пъти повече мощност, отколкото е необходимо за работата на нейните сензори. Освен това беше достатъчно здрав, за да издържи големи промени във влагата на почвата – от малко суха (41% вода по обем) до напълно под вода.

Да направим компютрите достъпни за всички

Всички компоненти на основания на почвата MFC могат да бъдат закупени в местен магазин за хардуер, казват изследователите. След това те планират да разработят основано на почвата MFC, направено от напълно биоразградими материали. И двата дизайна заобикалят сложните вериги за доставки и избягват използването на конфликтни минерали.

„С COVID-19 „Всички сме наясно как една криза може да наруши глобалната верига за доставки на електроника“, каза съавторът на изследването Джозая Хестър, бивш преподавател в Северозападния университет, който сега работи в Технологичния институт на Джорджия. „Искаме да изградим устройства, които използват местни вериги за доставки и евтини материали, така че компютрите да са достъпни за всички общности.“

Справка: „Изчисления, захранвани от почвата“ от Бил Йен, Лора Глийв, Луис Гутиерес, Велути Сахинидис, Сейди Бърнстейн, Джон Мадън, Стивън Тейлър, Колин Джоузефсън, Пат Пануто, Уейтао Шуай, Джордж Уелс, Ниведита Арора и Джозая Хестър, януари 11. 2024 г., Сборник на ACM за интерактивни, мобилни, носими и повсеместни технологии.
doi: 10.1145/3631410

Проучването е подкрепено от Националната научна фондация (награда № CNS-2038853), Инициативата за изследване на селското стопанство и храните (награда № 2023-67021-40628) на Националния институт по храните и земеделието на USDA, фондация Алфред П. Слоун и VMware. Проучване и 3M.