Грязь вместо батареек: ученые создали новый топливный элемент из почвенных микробов
/https%3A%2F%2Fs3.eu-central-1.amazonaws.com%2Fmedia.my.ua%2Ffeed%2F137%2F0851a3bbebf11ae714480cbbd0a202ea.jpg)
Ученые из Северо-Западного университета разработали топливный элемент, который генерирует электричество с помощью микробов, естественно содержащихся в почве. Устройство вырабатывает небольшое количество энергии, улавливая ее в процессе разложения органического материала этими микроорганизмами.
Само устройство имеет размер примерно с книгу в мягкой обложке. Эта система на почвенной энергии предназначена для работы подземных датчиков, используемых в точном земледелии и экологическом мониторинге. Она предлагает потенциальную альтернативу традиционным батарейкам, которые содержат токсичные и легковоспламеняющиеся материалы, зависят от сложных глобальных цепочек поставок и увеличивают количество электронных отходов.
Исследование опубликовано в «Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies». Исследователи также обнародовали свои проекты, учебные материалы и инструменты симуляции, чтобы другие могли развивать эту работу.
Питание датчиков без батареек
Чтобы продемонстрировать возможности устройства, команда использовала топливный элемент для работы датчиков измерения влажности почвы и определения прикосновения. Эта способность обнаруживать прикосновение может помочь отслеживать перемещение диких животных, например животных, проходящих через поле. Система также включает небольшую антенну, которая беспроводно отправляет данные, отражая имеющиеся радиочастотные сигналы, что поддерживает чрезвычайно низкое потребление энергии.
Устройство оказалось надежным в широком диапазоне условий. Он работал как в сухой почве, так и в затопленной среде, и обеспечивал более длительную мощность по сравнению с аналогичными системами — примерно на 120% дольше.
Почему почвенные микробы важны для Интернета вещей
Количество устройств в Интернете вещей (IoT) постоянно растет. Если представить будущее с триллионами таких устройств, мы не можем строить каждый из них из лития, тяжелых металлов и токсинов, опасных для окружающей среды.
«Нам нужно найти альтернативы, которые могут обеспечить небольшое количество энергии для питания децентрализованной сети устройств. В поисках решений мы обратились к микробным топливным элементам на основе почвы, которые используют специальные микробы для разложения почвы и применяют это небольшое количество энергии для питания датчиков. Пока в почве есть органический углерод, который микробы могут разлагать, топливный элемент потенциально может работать вечно», — сказал выпускник Северо-Западного университета Билл Йен, который возглавил работу.
Микробные топливные элементы, которые часто называют MFC, работают несколько подобно батарейке. Они включают анод, катод и электролит, но вместо химических реакций полагаются на бактерии, которые естественно выделяют электроны. Когда эти электроны движутся через систему, они создают электрический ток.
«Эти микробы повсеместны — они уже живут в почве повсюду. Мы можем использовать очень простые инженерные системы, чтобы улавливать их электричество», — объясняет Джордж Уэллс из Северо-Западного университета, старший автор исследования.
Проблемы датчиков на солнечной энергии и батарейках
Точное земледелие зависит от больших сетей датчиков, которые непрерывно отслеживают состояние почвы: влажность, питательные вещества и загрязнители. Эти данные помогают фермерам принимать более обоснованные решения и повышать урожайность.
Однако питание этих датчиков является серьезной проблемой. Батарейки со временем разряжаются и нуждаются в замене, что является нерациональным на больших фермах. Солнечные панели также могут быть ненадежными, поскольку загрязняются, требуют солнечного света и занимают много места.
«Если вы хотите установить датчик на природе, на ферме или в водно-болотном угодье, вы ограничены необходимостью установить батарейку или собирать солнечную энергию. Солнечные панели плохо работают в грязной среде, поскольку покрываются грязью, не работают, когда нет солнца, и занимают много места. Батарейки также являются проблемой, потому что они разряжаются. Фермеры не будут обходить ферму в 100 акров, чтобы регулярно заменять батарейки или оттирать солнечные панели», — говорит Ен.
Вместо этого исследователи сосредоточились на непосредственной добыче энергии из самой почвы, превращая окружающую среду в источник питания.
Почему предыдущие микробные топливные элементы не оправдали ожиданий
Микробные топливные элементы на основе почвы существуют с 1911 года, однако имели трудности с обеспечением стабильной работы. Этим системам нужны и влажность, и кислород для нормального функционирования, что может быть трудно поддержать под землей, особенно в сухих условиях.
«Хотя MFC существуют как концепция уже более века, их ненадежная работа и низкая выходная мощность препятствовали усилиям найти им практическое применение, особенно в условиях низкой влажности», — добавляет Ен.
Новая конструкция улучшает производительность
Чтобы решить эти проблемы, команда потратила два года на разработку и тестирование различных конструкций. Они сравнили четыре варианта и собрали девять месяцев данных о производительности, прежде чем выбрать финальный прототип, который они испытывали на улице.
Прорыв произошел благодаря изменению геометрии. Вместо параллельного расположения анода и катода новая конструкция размещает их перпендикулярно. Анод, изготовленный из углеродного фетра (недорогого, широко доступного проводника для улавливания электронов микробов), располагается горизонтально под грунтом. Катод, изготовленный из проводящего металла, простирается вертикально к поверхности.
«Мы не собираемся питать целые города этой энергией. Но мы можем улавливать минимальные количества энергии для обеспечения практических, малопрочных применений», — замечает Уэллс.
Эта структура помогает решить сразу несколько проблем. Верхняя часть устройства остается открытой для воздуха, обеспечивая постоянное поступление кислорода. В то же время нижняя часть остается спрятанной во влажной почве, поддерживая увлажненность даже в сухих условиях. Защитный колпак предотвращает попадание мусора, тогда как небольшая воздушная камера обеспечивает циркуляцию воздуха.
Конструкция также повышает устойчивость во время наводнений. Водонепроницаемое покрытие позволяет катоду продолжать функционировать, а вертикальное расположение помогает ему постепенно высыхать после отступления воды.
Убедительные результаты в реальных условиях
Финальный прототип показал хорошие результаты в широком диапазоне условий почвы — от умеренно сухого (41% воды по объему) до полностью затопленных сред. В среднем он генерировал в 68 раз больше энергии, чем необходимо для работы датчиков.
Эти результаты свидетельствуют о том, что система является достаточно надежной для реального развертывания на сельскохозяйственных полях или в природных средах.
Текущие исследования и будущий потенциал
С тех пор как исследование впервые было опубликовано, интерес к микробным топливным элементам продолжает расти. Исследователи работают над повышением эффективности, стабильности и материалов, в частности изучая биоразлагаемые конструкции, которые могли бы еще больше уменьшить воздействие на окружающую среду.
Команда Северо-Западного университета отмечает, что все компоненты их системы можно найти среди обычных строительных материалов. Сейчас они стремятся создать полностью биоразлагаемые версии, которые избегают сложных цепочек поставок и конфликтных минералов.
«Во время пандемии COVID-19 мы все убедились, как кризис может нарушить глобальную цепочку поставок электроники. Мы хотим строить устройства, использующие местные цепочки поставок и недорогие материалы, чтобы вычислительные технологии были доступны для всех сообществ», — рассказал соавтор исследования Джосайя Гестер, бывший преподаватель Северо-Западного университета, который сейчас работает в Технологическом институте Джорджии.
Хотя технология не предназначена для питания больших систем, она может играть важную роль в поддержке маломощных устройств в сельском хозяйстве, экологическом мониторинге и расширяемом Интернете вещей.
Источник: Science Daily