Cientistas desenvolvem uma nova célula de combustível movida a sujeira que funciona para sempre

Uma equipe de pesquisadores liderada pela Northwestern University desenvolveu uma nova célula de combustível que coleta energia de micróbios que vivem na terra.

Mais ou menos do tamanho de um livro de papel normal, a tecnologia baseada no solo poderia alimentar sensores subterrâneos utilizados na agricultura de precisão e em infraestruturas verdes. Isto proporciona potencialmente uma alternativa sustentável e renovável às baterias, que contêm produtos químicos tóxicos e inflamáveis ​​que se infiltram no solo, estão repletas de cadeias de abastecimento assoladas por conflitos e contribuem para o problema cada vez maior do lixo eletrónico.

Para testar a nova célula de combustível, os investigadores usaram-na para alimentar sensores que medem a humidade do solo e detectam o toque, uma capacidade que pode ser valiosa para rastrear animais que passam. Para permitir comunicações sem fio, os pesquisadores também equiparam o sensor baseado no solo com uma pequena antena para transmitir dados para uma estação base próxima, refletindo os sinais de radiofrequência existentes.

A célula de combustível não apenas funcionou em condições úmidas e secas, mas sua potência também excedeu tecnologias similares em 120%.

A pesquisa será publicada hoje (12 de janeiro) no Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable, and Ubiquitous Technologies. Os autores do estudo também tornam públicos todos os projetos, tutoriais e ferramentas de simulação, para que outros possam usar e desenvolver a pesquisa.

“O número de dispositivos conectados à Internet das Coisas (IoT) está em constante crescimento”, disse Bill Yen, estudante de pós-graduação da Northwestern University que liderou o trabalho. “Se imaginarmos um futuro com trilhões desses dispositivos, não seremos capazes de construir todos eles usando lítio, metais pesados ​​e toxinas que representam um risco ao meio ambiente. Precisamos encontrar alternativas que possam fornecer baixas quantidades de energia para alimentar uma rede descentralizada de dispositivos. Em nossa busca por soluções, analisamos as células de combustível microbianas do solo, que usam micróbios especiais para decompor o solo e usam essa pequena quantidade de energia para alimentar sensores. Contanto que haja carbono orgânico no solo para a decomposição dos micróbios, a célula de combustível pode durar potencialmente para sempre.

Bill Yen, principal autor do estudo, enterrou a célula de combustível durante testes no laboratório da Northwestern University. Crédito: Universidade Northwestern

“Esses micróbios estão por toda parte. Na verdade, vivem no solo em todos os lugares”, disse George Wells, da Northwestern University, autor sênior do estudo. “Podemos usar sistemas de engenharia muito simples para obter eletricidade. Não abasteceremos cidades inteiras com esta energia. Mas podemos capturar pequenas quantidades de energia para alimentar aplicações práticas e de baixo consumo de energia.

Wells é professor associado de engenharia civil e ambiental na McCormick School of Engineering da Northwestern. Agora um Ph.D. Yin, um estudante da Universidade de Stanford, iniciou este projeto enquanto era pesquisador de graduação no laboratório de Wells.

Soluções para um trabalho sujo

Nos últimos anos, agricultores de todo o mundo têm adotado cada vez mais a agricultura de precisão como estratégia para melhorar o rendimento das colheitas. A abordagem baseada na tecnologia baseia-se na medição de níveis precisos de humidade, nutrientes e poluentes no solo para tomar decisões que promovam a saúde das culturas. Isto requer uma rede grande e dispersa de dispositivos eletrónicos para recolher continuamente dados ambientais.

“Se você quiser colocar um sensor no deserto, ou em uma fazenda, ou em um pântano, você está limitado a colocar uma bateria nele ou coletar energia solar”, disse Yin. “Os painéis solares não funcionam bem em ambientes sujos porque estão cobertos de sujeira, não funcionam quando o sol não está forte e ocupam muito espaço. As baterias também são um desafio porque ficam sem energia Os agricultores não andam por uma fazenda de 100 acres regularmente substituindo baterias ou limpando painéis solares.

Para superar estes desafios, Wells, Wayne e os seus colaboradores questionaram-se se poderiam, em vez disso, colher energia do ambiente existente. “De qualquer forma, podemos colher energia do solo que os agricultores estão monitorando”, disse Yin.

‘Esforços frustrados’

Fazendo a sua estreia em 1911, as células de combustível microbianas (MFCs) baseadas no solo funcionam como uma bateria – com um ânodo, um cátodo e um eletrólito. Mas em vez de usar produtos químicos para gerar eletricidade, os MFCs coletam eletricidade de bactérias que naturalmente doam elétrons para condutores próximos. Quando esses elétrons fluem do ânodo para o cátodo, eles formam um circuito elétrico.

A célula a combustível fica coberta de sujeira após ser extraída do solo para estudos. Crédito: Bill Yen/Northwestern University

Mas para que as células de combustível microbianas funcionem ininterruptamente, elas precisam permanecer úmidas e abastecidas com oxigênio, o que é difícil quando estão enterradas no subsolo, em terra seca.

“Embora os MSCs existam como conceito há mais de um século, o seu desempenho pouco fiável e a baixa capacidade de produção frustraram os esforços para fazer uso prático deles, especialmente em condições de baixa humidade”, disse Yin.

Engenharia vencedora

Com esses desafios em mente, Yin e sua equipe embarcaram em uma jornada de dois anos para desenvolver uma célula MFC baseada em solo prática e confiável. Sua jornada incluiu a criação – e comparação – de quatro versões diferentes. Primeiro, os pesquisadores coletaram nove meses de dados sobre o desempenho de cada projeto. Eles então testaram sua versão final em um parque ao ar livre.

O protótipo de melhor desempenho teve um bom desempenho em condições secas e também em ambiente submerso. O segredo do seu sucesso: a sua engenharia. Em vez de usar o design tradicional, onde o ânodo e o cátodo são paralelos entre si, a célula de combustível vencedora utilizou um design ortogonal.

Feito de feltro de carbono (um condutor barato e facilmente disponível para capturar elétrons de micróbios), o ânodo é horizontal ao solo. O cátodo consiste em um metal inerte e condutor e é colocado verticalmente acima do ânodo.

Embora todo o dispositivo esteja enterrado, o design vertical garante que a extremidade superior fique nivelada com a superfície do solo. Há uma tampa impressa em 3D na parte superior do dispositivo para evitar que detritos caiam em seu interior. O orifício na parte superior e a câmara de ar vazia ao lado do cátodo permitem um fluxo constante de ar.

A extremidade inferior do cátodo permanece posicionada profundamente abaixo da superfície, garantindo que ele permaneça úmido do solo úmido circundante, mesmo quando a camada superficial do solo seca sob a luz solar. Os pesquisadores também revestiram parte do cátodo com um material impermeabilizante para permitir que ele respirasse durante as enchentes. Após uma possível inundação, o design vertical permite que o cátodo seque gradualmente, em vez de secar de uma só vez.

Em média, a célula de combustível resultante gerou 68 vezes mais energia do que a necessária para operar os seus sensores. Também era robusto o suficiente para suportar grandes mudanças na umidade do solo – desde um pouco seco (41% de água por volume) até completamente submerso.

Tornando a computação acessível a todos

Todos os componentes do MFC baseado no solo podem ser adquiridos em uma loja de ferragens local, dizem os pesquisadores. Em seguida, eles planejam desenvolver um MFC baseado no solo, feito de materiais totalmente biodegradáveis. Ambos os projetos contornam cadeias de abastecimento complexas e evitam o uso de minerais de conflito.

“Com o COVID-19 “Todos nós nos conscientizamos de como uma crise pode perturbar a cadeia global de fornecimento de eletrônicos”, disse o coautor do estudo Josiah Hester, ex-membro do corpo docente da Northwestern University que agora trabalha no Georgia Institute of Technology. “Queremos construir dispositivos que utilizem cadeias de abastecimento locais e materiais de baixo custo para que a computação seja acessível a todas as comunidades.”

Referência: “Soil-Powered Computing” por Bill Yen, Laura Gleave, Luis Gutierrez, Veluthi Sahinidis, Sadie Bernstein, John Madden, Steven Taylor, Colin Josephson, Pat Panuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora e Josiah Hester, janeiro 11. 2024, Procedimentos da ACM sobre tecnologias interativas, móveis, vestíveis e onipresentes.
doi: 10.1145/3631410

O estudo foi apoiado pela National Science Foundation (Prêmio nº CNS-2038853), pela Iniciativa de Pesquisa Agrícola e Alimentar (Prêmio nº 2023-67021-40628) do Instituto Nacional de Alimentos e Agricultura do USDA, pela Fundação Alfred P. Sloan. , Pesquisa VMware e 3M.