Šiaurės vakarų universiteto vadovaujama mokslininkų komanda sukūrė naują kuro elementą, kuris surenka energiją iš purve gyvenančių mikrobų.

Maždaug įprastos popierinės knygos dydžio dirvožemio technologija galėtų maitinti požeminius jutiklius, naudojamus tiksliajame žemės ūkyje ir žaliojoje infrastruktūroje. Tai potencialiai yra tvari, atsinaujinanti alternatyva baterijoms, kuriose yra nuodingų ir degių cheminių medžiagų, kurios prasiskverbia į žemę, yra kupinos konfliktų tiekimo grandinių ir prisideda prie nuolat augančios elektroninių atliekų problemos.

Norėdami išbandyti naują kuro elementą, mokslininkai naudojo jį jutikliams, kurie matuoja dirvožemio drėgmę ir aptinka prisilietimą, o tai gali būti naudinga sekant pro šalį einančius gyvūnus. Kad būtų užtikrintas belaidis ryšys, mokslininkai taip pat aprūpino dirvožemio jutiklį su maža antena, kad būtų galima perduoti duomenis į netoliese esančią bazinę stotį, atspindinčią esamus radijo dažnio signalus.

Kuro elementas ne tik veikė šlapiomis ir sausomis sąlygomis, bet ir jo galia 120% viršijo panašias technologijas.

Tyrimas bus paskelbtas šiandien (sausio 12 d.) Interaktyviųjų, mobiliųjų, nešiojamų ir visur naudojamų technologijų kompiuterinių mašinų asociacijos darbuose. Tyrimo autoriai taip pat skelbia visus projektus, mokymo programas ir modeliavimo įrankius, kad kiti galėtų naudoti ir remtis tyrimu.

„Prie daiktų interneto (IoT) prijungtų įrenginių skaičius nuolat auga“, – sakė darbui vadovavęs Šiaurės vakarų universiteto magistrantas Billas Yenas. „Jei įsivaizduosime ateitį su trilijonais šių prietaisų, negalėsime sukurti kiekvieno iš jų naudojant litį, sunkiuosius metalus ir toksinus, kurie kelia pavojų aplinkai. Turime rasti alternatyvų, kurios galėtų užtikrinti mažą kiekį energija decentralizuotam įrenginių tinklui maitinti. Ieškodami sprendimų, pažvelgėme į dirvožemio mikrobų kuro elementus, kurie naudoja specialius mikrobus dirvožemiui skaidyti ir tą mažą energijos kiekį naudoja jutikliams maitinti. Tol, kol viduje yra organinės anglies dirva mikrobams suirti, kuro elementas gali tarnauti amžinai.

Billas Yenas, pagrindinis tyrimo autorius, palaidojo kuro elementą per bandymus Šiaurės vakarų universiteto laboratorijoje. Kreditas: Šiaurės Vakarų universitetas

„Šių mikrobų yra visur. Jie iš tikrųjų gyvena dirvožemyje visur, – sakė George'as Wellsas iš Šiaurės Vakarų universiteto, vyresnysis tyrimo autorius. – Mes galime naudoti labai paprastas inžinerines sistemas, kad gautume elektros energiją. Šia energija neaprūpinsime ištisų miestų. Tačiau galime surinkti nedidelį energijos kiekį, kad galėtume naudoti praktiškus, mažai energijos naudojančius įrenginius.

Wellsas yra Northwestern McCormick inžinerijos mokyklos civilinės ir aplinkos inžinerijos docentas. Dabar daktaro laipsnis. Yin, Stanfordo universiteto studentas, pradėjo šį projektą, kai buvo Wellso laboratorijos bakalauro tyrėjas.

Sprendimai nešvariam darbui

Pastaraisiais metais viso pasaulio ūkininkai vis dažniau taiko tikslųjį žemės ūkį kaip strategiją, skirtą pagerinti pasėlių derlių. Technologijomis pagrįstas metodas priklauso nuo tikslaus drėgmės, maistinių medžiagų ir teršalų kiekio dirvožemyje matavimo, kad būtų priimti sprendimai, skatinantys pasėlių sveikatą. Tam reikalingas didelis ir išsklaidytas elektroninių prietaisų tinklas, kad būtų galima nuolat rinkti aplinkos duomenis.

„Jei norite patalpinti jutiklį dykumoje, ūkyje ar pelkėje, apsiribokite baterijos įdėjimu arba saulės energijos surinkimu“, – sakė Yen. „Saulės baterijos neveikia nešvarioje aplinkoje, nes yra padengtos nešvarumais, neveikia, kai saulė nešviečia, ir užima daug vietos. Baterijos taip pat yra iššūkis, nes joms trūksta energijos Ūkininkai nevaikščios po 100 akrų ūkį reguliariai keisdami baterijas ar dulkindami saulės baterijas.

Norėdami įveikti šiuos iššūkius, Wellsas, Wayne'as ir jų bendradarbiai susimąstė, ar jie galėtų paimti energiją iš esamos aplinkos. „Mes galime surinkti energiją iš dirvožemio, kurį ūkininkai vis tiek stebi”, – sakė Yenas.

„Nusivylusios pastangos“

1911 m. debiutuojantys dirvožemio mikrobiniai kuro elementai (MFC) veikia kaip baterija – su anodu, katodu ir elektrolitu. Tačiau užuot naudoję chemikalus elektrai gaminti, MFC renka elektrą iš bakterijų, kurios natūraliai atiduoda elektronus netoliese esantiems laidininkams. Kai šie elektronai teka iš anodo į katodą, jie sudaro elektros grandinę.

Kuro elementas yra padengtas nešvarumais po to, kai buvo ištrauktas iš žemės tyrimams. Kreditas: Bill Yen / Šiaurės Vakarų universitetas

Tačiau, kad mikrobiniai kuro elementai veiktų nenutrūkstamai, jie turi išlikti drėgni ir aprūpinti deguonimi, o tai sunku, kai jie yra palaidoti po žeme sausame purve.

„Nors MSC kaip koncepcija gyvuoja daugiau nei šimtmetį, jų nepatikimas veikimas ir mažas gamybos pajėgumas sužlugdė pastangas praktiškai jas panaudoti, ypač esant žemai drėgmei“, – sakė Yin.

Laimėjusi inžinerija

Turėdami omenyje šiuos iššūkius, Yin ir jo komanda pradėjo dvejų metų kelionę, kad sukurtų praktišką ir patikimą dirvožemio MFC ląstelę. Jo kelionė apėmė keturių skirtingų versijų kūrimą ir palyginimą. Pirma, mokslininkai surinko devynių mėnesių duomenis apie kiekvieno dizaino veikimą. Tada jie išbandė savo galutinę versiją lauko parke.

Geriausiai veikiantis prototipas puikiai veikė tiek sausomis sąlygomis, tiek povandeninėje aplinkoje. Jo sėkmės paslaptis: jo inžinerija. Užuot naudoję tradicinį dizainą, kai anodas ir katodas yra lygiagrečiai vienas kitam, laimėjusiame kuro elemente buvo panaudota stačiakampė konstrukcija.

Pagamintas iš anglies veltinio (lengvai prieinamas ir nebrangus laidininkas mikrobų elektronams užfiksuoti), anodas yra horizontaliai žemei. Katodas susideda iš inertiško, laidžio metalo ir yra vertikaliai virš anodo.

Nors visas prietaisas yra palaidotas, vertikali konstrukcija užtikrina, kad viršutinis galas būtų viename lygyje su žemės paviršiumi. Įrenginio viršuje yra 3D atspausdintas dangtelis, kad į vidų nepatektų šiukšlės. Viršuje esanti skylė ir šalia katodo esanti tuščia oro kamera leidžia nuolat tekėti orui.

Apatinis katodo galas išlieka giliai po paviršiumi, užtikrinant, kad jis liktų drėgnas nuo aplinkinio drėgno dirvožemio, net kai viršutinis dirvožemio sluoksnis išdžiūsta saulės šviesoje. Tyrėjai taip pat padengė dalį katodo hidroizoliacine medžiaga, kad ji galėtų kvėpuoti potvynio metu. Po galimo potvynio, vertikali konstrukcija leidžia katodui išdžiūti palaipsniui, o ne visam iš karto.

Vidutiniškai gautas kuro elementas generavo 68 kartus daugiau galios, nei reikėjo jutikliams valdyti. Jis taip pat buvo pakankamai tvirtas, kad atlaikytų didelius dirvožemio drėgmės pokyčius – nuo ​​šiek tiek sauso (41 % vandens pagal tūrį) iki visiškai povandeninio.

Kad kompiuteriai būtų prieinami visiems

Mokslininkai teigia, kad visus dirvožemio pagrindu pagaminto MFC komponentus galima įsigyti vietinėje techninės įrangos parduotuvėje. Be to, jie planuoja sukurti dirvožemio pagrindu pagamintą MFC, pagamintą iš visiškai biologiškai skaidžių medžiagų. Abu modeliai apeina sudėtingas tiekimo grandines ir vengia konfliktinių mineralų naudojimo.

„Su COVID-19 „Mes visi supratome, kaip krizė gali sutrikdyti pasaulinę elektronikos tiekimo grandinę“, – sakė tyrimo bendraautoris Josiah Hester, buvęs Šiaurės Vakarų universiteto fakulteto narys, dabar dirbantis Džordžijos technologijos institute. „Norime sukurti įrenginius, kuriuose būtų naudojamos vietinės tiekimo grandinės ir pigios medžiagos, kad kompiuteriai būtų prieinami visoms bendruomenėms.

Nuoroda: Bill Yen, Laura Gleave, Luis Gutierrez, Veluthi Sahinidis, Sadie Bernstein, John Madden, Steven Taylor, Colin Josephson, Pat Panuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora ir Josiah Hester, „Soil-Powered Computing“. 11 . 2024 m., ACM byla dėl interaktyvių, mobiliųjų, nešiojamų ir visur naudojamų technologijų.
doi: 10.1145/3631410

Tyrimą rėmė Nacionalinis mokslo fondas (apdovanojimo Nr. CNS-2038853), USDA Nacionalinio maisto ir žemės ūkio instituto Žemės ūkio ir maisto tyrimų iniciatyva (Apdovanojimo Nr. 2023-67021-40628), Alfredo P. Sloano fondas. , VMware Research ir 3M.