Вчені з Північно-Західного університету розробили паливний елемент, який генерує електрику за допомогою мікробів, що природно містяться у ґрунті. Пристрій виробляє невелику кількість енергії, уловлюючи її в процесі розкладання органічного матеріалу цими мікроорганізмами.
Сам пристрій має розмір приблизно із книгу в м’якій обкладинці. Ця система на ґрунтовій енергії призначена для роботи підземних датчиків, що використовуються у точному землеробстві та екологічному моніторингу. Вона пропонує потенційну альтернативу традиційним батарейкам, які містять токсичні та легкозаймисті матеріали, залежать від складних глобальних ланцюжків постачання та збільшують кількість електронних відходів.
Дослідження опубліковано у “Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies”. Дослідники також оприлюднили свої проєкти, навчальні матеріали та інструменти симуляції, щоб інші могли розвивати цю роботу.
Живлення датчиків без батарейок
Щоб продемонструвати можливості пристрою, команда використала паливний елемент для роботи датчиків вимірювання вологості ґрунту та визначення дотику. Ця здатність виявляти дотик може допомогти відстежувати переміщення диких тварин, наприклад тварин, що проходять через поле. Система також включає невелику антену, яка бездротово надсилає дані, відбиваючи наявні радіочастотні сигнали, що підтримує надзвичайно низьке споживання енергії.
Пристрій виявився надійним у широкому діапазоні умов. Він працював як у сухому ґрунті, так і в затопленому середовищі, і забезпечував більш тривалу потужність порівняно з аналогічними системами — приблизно на 120% довше.
Чому ґрунтові мікроби важливі для Інтернету речей
Кількість пристроїв в Інтернеті речей (IoT) постійно зростає. Якщо уявити майбутнє з трильйонами таких пристроїв, ми не можемо будувати кожен із них із літію, важких металів і токсинів, що є небезпечними для навколишнього середовища.
“Нам потрібно знайти альтернативи, які можуть забезпечити невелику кількість енергії для живлення децентралізованої мережі пристроїв. У пошуках рішень ми звернулися до мікробних паливних елементів на основі ґрунту, які використовують спеціальні мікроби для розкладання ґрунту й застосовують цю невелику кількість енергії для живлення датчиків. Доки в ґрунті є органічний вуглець, який мікроби можуть розкладати, паливний елемент потенційно може працювати вічно”, — сказав випускник Північно-Західного університету Білл Єн, який очолив роботу.
Мікробні паливні елементи, які часто називають MFC, працюють дещо подібно до батарейки. Вони включають анод, катод і електроліт, але замість хімічних реакцій покладаються на бактерії, які природно виділяють електрони. Коли ці електрони рухаються через систему, вони створюють електричний струм.
“Ці мікроби повсюдні — вони вже живуть у ґрунті всюди. Ми можемо використовувати дуже прості інженерні системи, щоб уловлювати їхню електрику”, — пояснює Джордж Веллс із Північно-Західного університету, старший автор дослідження.
Проблеми датчиків на сонячній енергії та батарейках
Точне землеробство залежить від великих мереж датчиків, які безперервно відстежують стан ґрунту: вологість, поживні речовини та забруднювачі. Ці дані допомагають фермерам приймати більш обґрунтовані рішення та підвищувати врожайність.
Проте живлення цих датчиків є серйозною проблемою. Батарейки з часом розряджаються і потребують заміни, що є нераціональним на великих фермах. Сонячні панелі також можуть бути ненадійними, оскільки забруднюються, потребують сонячного світла та займають багато місця.
“Якщо ви хочете встановити датчик на природі, на фермі чи у водно-болотному угідді, ви обмежені необхідністю встановити батарейку або збирати сонячну енергію. Сонячні панелі погано працюють у брудному середовищі, оскільки покриваються брудом, не працюють, коли немає сонця, і займають багато місця. Батарейки також є проблемою, бо розряджаються. Фермери не будуть обходити ферму в 100 акрів, щоб регулярно замінювати батарейки або відтирати сонячні панелі”, — каже Єн.
Натомість дослідники зосередилися на безпосередньому видобутку енергії із самого ґрунту, перетворюючи довкілля на джерело живлення.
Чому попередні мікробні паливні елементи не виправдали очікувань
Мікробні паливні елементи на основі ґрунту існують з 1911 року, однак мали труднощі із забезпеченням стабільної роботи. Цим системам потрібні і вологість, і кисень для нормального функціонування, що може бути важко підтримати під землею, особливо в сухих умовах.
“Хоча MFC існують як концепція вже понад століття, їхня ненадійна робота та низька вихідна потужність перешкоджали зусиллям знайти їм практичне застосування, особливо в умовах низької вологості”, — додає Єн.
Нова конструкція покращує продуктивність
Щоб вирішити ці проблеми, команда витратила два роки на розробку та тестування різних конструкцій. Вони порівняли чотири варіанти та зібрали дев’ять місяців даних про продуктивність, перш ніж обрати фінальний прототип, який вони випробовували надворі.
Прорив стався завдяки зміні геометрії. Замість паралельного розташування анода і катода нова конструкція розміщує їх перпендикулярно. Анод, виготовлений із вуглецевого фетру (недорогого, широко доступного провідника для уловлювання електронів мікробів), розташовується горизонтально під ґрунтом. Катод, виготовлений із провідного металу, простягається вертикально до поверхні.
“Ми не збираємося живити цілі міста цією енергією. Але ми можемо уловлювати мінімальні кількості енергії для забезпечення практичних, маломіцних застосувань”, — зауважує Веллс.
Ця структура допомагає вирішити відразу кілька проблем. Верхня частина пристрою залишається відкритою для повітря, забезпечуючи постійне надходження кисню. Водночас нижня частина залишається захованою у вологому ґрунті, підтримуючи зволоженість навіть у сухих умовах. Захисний ковпак запобігає потраплянню сміття, тоді як невелика повітряна камера забезпечує циркуляцію повітря.
Конструкція також підвищує стійкість під час повеней. Водонепроникне покриття дозволяє катоду продовжувати функціонувати, а вертикальне розташування допомагає йому поступово висихати після відступу води.
Переконливі результати в реальних умовах
Фінальний прототип показав хороші результати в широкому діапазоні умов ґрунту — від помірно сухого (41% води за об’ємом) до повністю затоплених середовищ. У середньому він генерував у 68 разів більше енергії, ніж необхідно для роботи датчиків.
Ці результати свідчать про те, що система є достатньо надійною для реального розгортання на сільськогосподарських полях або в природних середовищах.
Поточні дослідження та майбутній потенціал
Відтоді як дослідження вперше було опубліковано, інтерес до мікробних паливних елементів продовжує зростати. Дослідники працюють над підвищенням ефективності, стабільності та матеріалів, зокрема вивчаючи біорозкладані конструкції, які могли б ще більше зменшити вплив на навколишнє середовище.
Команда Північно-Західного університету зазначає, що всі компоненти їхньої системи можна знайти серед звичайних будівельних матеріалів. Зараз вони прагнуть створити повністю біорозкладані версії, які уникають складних ланцюжків постачання та конфліктних мінералів.
“Під час пандемії COVID-19 ми всі переконалися, як криза може порушити глобальний ланцюжок постачання електроніки. Ми хочемо будувати пристрої, що використовують місцеві ланцюжки постачання та недорогі матеріали, щоб обчислювальні технології були доступні для всіх спільнот”, — розповів співавтор дослідження Джосайя Гестер, колишній викладач Північно-Західного університету, який зараз працює в Технологічному інституті Джорджії.
Хоча технологія не призначена для живлення великих систем, вона може відігравати важливу роль у підтримці маломіцних пристроїв у сільському господарстві, екологічному моніторингу та розширюваному Інтернеті речей.
Шведські вчені розробили «е-ґрунт», який вдвічі прискорює ріст рослин
Джерело: Science Daily
Повідомити про помилку
Текст, який буде надіслано нашим редакторам: