Инновационная разработка, способная произвести революцию в питании автономных устройств, представлена научным коллективом под руководством специалистов из Северо-Западного университета. Ими создан уникальный топливный элемент, генерирующий электричество за счёт активности микробов, естественным образом обитающих в почве. Устройство, сопоставимое по габаритам с книгой в мягкой обложке, извлекает энергию из биохимических процессов, сопровождающих разложение органического материала, производя её в небольших, но стабильных количествах.
Ключевым предназначением данной технологии является обеспечение долговременной работы подземных датчиков, собирающих критически важные данные о состоянии почвы и параметрах окружающей среды. Система рассматривается как перспективная и экологичная альтернатива традиционным химическим батареям, которые содержат токсичные и легковоспламеняющиеся материалы, усугубляя проблему электронных отходов и создавая уязвимости в глобальных цепочках поставок.
Практическое применение и устойчивость системы
В ходе испытаний команда успешно применила топливный элемент для питания специализированных датчиков. Эти сенсоры способны измерять влажность грунта, а также фиксировать прикосновения, что открывает возможности для мониторинга, например, перемещений дикой фауны через определённые участки. Для передачи собранной информации используется энергоэффективная схема: компактная антенна отражает входящие радиочастотные сигналы, что минимизирует собственное энергопотребление устройства.
Эксперименты подтвердили высокую надёжность и адаптивность системы. Топливный элемент стабильно функционировал в различных условиях — как в сухой почве, так и в затопленной среде. При этом его производительность оказалась существенно выше, чем у аналогичных решений: он обеспечивал электроэнергией примерно на 120% дольше.
Детали исследования были обнародованы в издании Труды Ассоциации вычислительной техники по интерактивным, мобильным, переносимым и повсеместным технологиям. Стремясь стимулировать дальнейшие изыскания в этой области, авторы работы сделали свои проекты открытыми, опубликовав чертежи, технические руководства и наборы инструментов.
«Количество устройств Интернета вещей (IoT) неуклонно растёт, — отмечает Билл Йен, выпускник Северо-Западного университета, руководивший проектом. — Если мы представим будущее с триллионами таких устройств, становится очевидно, что мы не можем строить каждое из них на основе лития, тяжёлых металлов и прочих токсичных компонентов, вредных для экологии. Необходимо найти устойчивые решения, которые позволят развернуть эту сеть, не нанося ущерба нашей планете». Разработанный его командой почвенный топливный элемент, наглядно демонстрирующий свой потенциал на фотографии, где его крышка, напечатанная на 3D-принтере, выглядывает из земли, защищая внутренние компоненты от мусора и обеспечивая приток воздуха, может стать одним из таких решений.
альтернативы, которые смогут обеспечить небольшое количество энергии для питания децентрализованной сети. В поисках решения мы обратились к загрязненным микробным топливным элементам, которые используют специальные микробы для разрушения окружающей среды и используют это небольшое количество энергии для питания датчиков. Пока в почве есть органический углерод, который микробы могут распределять, топливный элемент гарантированно может работать вечно».
Микробные топливные элементы, часто называемые МТЭ, работают как аккумуляторы. Они включили в себя анод, катод и электролит, но вместо конденсатора в них использовались бактерии, которые успешно обнаруживают электроны. Когда эти электроны движутся через систему, они создают ток процесса.
«Эти микробы повсюду; они уже живут повсюду в почве», — сказал он. сказал Джордж Уэллс из Северо-Западного университета, старший автор исследования. «Мы можем использовать очень простые инженерные системы для улавливания их электроэнергии. Мы не собираемся снабжать этой энергией целые города. Но мы можем улавливать минимальное количество энергии для использования практически в маломощных приложениях».
Проблемы с датчиками, работающими от солнечной энергии и батарей
Точные данные о земле зависят от датчиков крупных сетей, которые постоянно отслеживают состояние почвы, например влажность, питательные и загрязняющие вещества. Эти данные помогают фермерам принимать более обоснованные решения и повышать урожайность.
Но питание этих датчиков является серьезной проблемой. Со временем батареи разряжаются, и их необходимо заменить, что непрактично на крупных фермах. Солнечные панели также могут быть ненадежными, поскольку они загрязняют окружающую среду, подвергаются воздействию солнечного света и занимают место.
«Если вы хотите подключить датчик в дикой природе, на ферме или в заболоченной местности, вам придется вставить в него батарею или собирать солнечную энергию», — говорит он. — сказал Йен. «Солнечные панели плохо работают в грязной среде, потому что они покрывают грязью, не работают, когда нет солнца, и занимают много мест. Батареи также представляют собой проблему, потому что у них заканчивается заряд. Фермеры не посещают ферму площадью 100 акров, чтобы регулярно менять батарею или очищать солнечную панель от пыли».
Вместо этого исследователи сосредоточились на сборе энергии непосредственно из окружающей среды, превращая окружающую среду в источник энергии.
Почему ранние микробные топливные элементы не подошли
Почвенные микробные топливные элементы существуют с 1911 года, но они изо всех сил поддерживают стабильную производительность. Для обеспечения условий этим системам необходимы как влага, так и кислород, которые трудно поддерживать под землей, особенно в засушливых условиях.
«Хотя концепция MFC существует уже более века, их ненадежная работа и требуемая выходная мощность загнали в тупик усилия по их практическому использованию, особенно в условиях низкой влажности», — сказал он. — сказал Йен.
Новый дизайн повышает производительность
Чтобы решить эти проблемы, команда потратила два года на разработку и тестирование различных проектов. Они сравнили четыре версии и собрали данные о производительности за девять месяцев, прежде чем выбрать прототип, который они протестировали в открытой атмосфере.
Прорыв произошел благодаря предположениям теории. Вместо того, чтобы разместить анод и катод параллельно друг другу, в новой конструкции они были построены Конгрессом.
Анод, сделанный из углеродной войлока (недорогой и распространенный проводник для захвата электронов микробов), лежит горизонтально под почвой. Катод, изготовленный из проволоки, расположен вертикально к поверхности.
Эта структура помогает решать несколько задач одновременно. Верхняя часть устройства остается открытой для доступа воздуха, обеспечивая стабильную подачу кислорода. При этом нижняя часть остается погребенной во влажной почве, сохраняя увлажнение даже в засушливых условиях. Защитный колпачок от случайного попадания мусора, небольшая воздушная камера обеспечивает циркуляцию воздуха.
Такие конструкции также повышают устойчивость во время наводнения. Водонепроницаемое покрытие позволяет катоду продолжать функционировать, а вертикальное расположение помогает ему постепенно высыхать после стекания воды.
Результаты в различных условиях
Последний прототип хорошо зарекомендовал себя в различных аспектах почвенных условий: от умеренно засушливых земель (41% воды по объему) до полностью затопленной среды. В среднем он употребил в 68 раз больше энергии, чем требовалось для работы его датчиков.
Эти результаты показывают, что система достаточно надежна для применения на сельскохозяйственных полях или в окружающей среде.
Текущие исследования и будущий потенциал
С момента первой публикации исследований интерес к микробным топливным элементам продолжал расти. Исследователи работают над повышением эффективности, стабильности и материалов, в том числе изучают биоразлагаемые механизмы, которые могут еще больше повлиять на окружающую среду.
Команда Northwestern отмечает, что все части их систем могут быть получены из обычных аппаратных средств. Сейчас они стремятся создать полностью биоразлагаемые версии, избегая простых цепочек и поставок конфликтных минералов.
«Во время пандемии COVID-19 мы все узнали, как кризис может нарушить глобальную цепочку поставок электроники», — сказал он. Сказала соавтор исследования Джозайя Хестер, бывший преподаватель Северо-Западного университета, который сейчас работает в Технологическом институте Джорджии. «Мы хотим создать устройство, которое будет использовать местные цепочки поставок и недорогие материалы, чтобы компьютеры были доступны для всех людей».
Хотя эта технология не создана для питания больших систем, она может сыграть решающую роль в поддержке устройств с низким энергопотреблением в сельском хозяйстве, мониторинге окружающей среды и изменении ситуации в Интернете.
Ключевые моменты
- Ученые создали новый топливный элемент, который использует природные почвенные микробы для производства электроэнергии
- Система может питать подземные датчики, которые отслеживают воздействие и даже обнаруживают движение или прикосновение
- Она продолжает работать в последующих условиях, от сухой почвы до полностью затопленной среды
- Эта технология может предложить более чистую альтернативную батарею для датчиков, работающих точно земледелии
Исследование «Вычисления на основе почвы: руководство для инженеров по практическому проектированию почвенных микробных топливных элементов»; был поддержан Национальным стандартным фондом (номер премии CNS-2038853), Инициативой сельскохозяйственных и пищевых исследований (номер 2023-67021-40628) Слоана, VMware Research и 3M.