Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad Northwestern ha desarrollado una nueva pila de combustible que recolecta energía de microbios que viven en la tierra.

Aproximadamente del tamaño de un libro de bolsillo estándar, la tecnología completamente impulsada por el suelo podría alimentar sensores subterráneos utilizados en agricultura de precisión e infraestructura verde.Potencialmente, esto podría ofrecer una alternativa sostenible y renovable a las baterías, que contienen sustancias químicas tóxicas e inflamables que se filtran al suelo, están plagadas de cadenas de suministro llenas de conflictos y contribuyen al problema cada vez mayor de los desechos electrónicos.

Para probar el nuevopila de combustible, los investigadores lo utilizaron para alimentar sensores que miden la humedad del suelo y detectan el tacto, una capacidad que podría ser valiosa para rastrear a los animales que pasan.para habilitarcomunicaciones inalámbricas, los investigadores también equiparon el sensor impulsado por el suelo con una pequeña antena para transmitir datos a una estación base vecina reflejando las señales de radiofrecuencia existentes.

La pila de combustible no sólo funcionó tanto en condiciones húmedas como secas, sino que su potencia también superó a tecnologías similares en un 120%.

La investigación fuepublicado12 de enero en elActas de la ACM sobre tecnologías interactivas, móviles, portátiles y ubicuas.Los autores del estudio también están haciendo públicos todos los diseños, tutoriales y herramientas de simulación, para que otros puedan utilizar y desarrollar la investigación.

"La cantidad de dispositivos en Internet de las cosas (IoT) está en constante crecimiento", dijo el ex alumno de Northwestern, Bill Yen, quien dirigió el trabajo."Si imaginamos un futuro con billones de estos dispositivos, no podemos construir cada uno de ellos con litio, metales pesados ​​y toxinas que son peligrosas para el medio ambiente. Necesitamos encontrar alternativas que puedan proporcionar bajas cantidades de energía para alimentar un sistema descentralizado.red de dispositivos.

"En una búsqueda de soluciones, buscamos pilas de combustible microbianas del suelo, que utilizan microbios especiales para descomponer el suelo y utilizan esa pequeña cantidad de energía para alimentar sensores. Siempre que haya carbono orgánico en el suelo para que los microbios lo descompongan, la pila de combustible puede durar potencialmente para siempre".

"Estos microbios son ubicuos; ya viven en el suelo en todas partes", dijo George Wells, de Northwestern, autor principal del estudio."Podemos utilizar sistemas de ingeniería muy simples para capturar su electricidad. No vamos a alimentar ciudades enteras con esta energía. Pero podemos capturar cantidades diminutas de energía para alimentar aplicaciones prácticas de bajo consumo".

Wells es profesor asociado de ingeniería civil y ambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern.Ahora un doctorado.Estudiante de la Universidad de Stanford, Yen inició este proyecto cuando era investigador universitario en el laboratorio de Wells.

Soluciones para un trabajo sucio

En los últimos años, los agricultores de todo el mundo han adoptado cada vez más la agricultura de precisión como estrategia para mejorar el rendimiento de los cultivos.El enfoque impulsado por la tecnología se basa en medir niveles precisos de humedad, nutrientes y contaminantes en el suelo para tomar decisiones que mejoren la salud de los cultivos.Esto requiere una red amplia y dispersa de dispositivos electrónicos para recopilar continuamente datos ambientales.

"Si quieres colocar un sensor en la naturaleza, en una granja o en un humedal, estás obligado a colocarle una batería o recolectar energía solar", dijo Yen."Los paneles solares no funcionan bien en ambientes sucios porque se cubren de suciedad, no funcionan cuando no hay sol y ocupan mucho espacio. Las baterías también son un desafío porque se quedan sin energía. Los agricultores no"Voy a recorrer una granja de 100 acres para cambiar periódicamente las baterías o quitar el polvo de los paneles solares".

Para superar estos desafíos, Wells, Yen y sus colaboradores se preguntaron si podrían, en cambio, recolectar energía del entorno existente."Podríamos cosecharenergíadel suelo que los agricultores están monitoreando de todos modos", dijo Yen.La pila de combustible, cubierta de suciedad después de ser extraída del suelo.

"Esfuerzos bloqueados"

Las pilas de combustible microbianas (MFC) basadas en el suelo hicieron su primera aparición en 1911 y funcionan como una batería: con un ánodo, un cátodo y un electrolito.Pero en lugar de utilizar productos químicos para generar electricidad, los MFC obtienen electricidad de bacterias que naturalmente donan electrones a los conductores cercanos.Cuando estos electrones fluyen del ánodo al cátodo, se crea un circuito eléctrico.

Pero para que las pilas de combustible microbianas funcionen sin interrupciones, necesitan permanecer hidratadas y oxigenadas, lo cual es complicado cuando están enterradas bajo tierra en tierra seca.

"Aunque los MFC han existido como concepto durante más de un siglo, su rendimiento poco confiable y su baja potencia de salida han obstaculizado los esfuerzos para hacer uso práctico de ellos, especialmente en condiciones de baja humedad", dijo Yen.

Geometría ganadora

Con estos desafíos en mente, Yen y su equipo se embarcaron en un viaje de dos años para desarrollar un MFC basado en suelo práctico y confiable.Su expedición incluyó la creación y comparación de cuatro versiones diferentes.Primero, los investigadores recopilaron nueve meses combinados de datos sobre el desempeño de cada diseño.Luego, probaron su versión final en un jardín al aire libre.

El prototipo de mejor rendimiento funcionó bien tanto en condiciones secas como en un entorno anegado.El secreto de su éxito: su geometría.En lugar de utilizar un diseño tradicional, en el que el ánodo y el cátodo son paralelos entre sí, la pila de combustible ganadora aprovechó un diseño perpendicular.

Hecho de fieltro de carbono (un conductor económico y abundante para capturar lamicrobios' electrones), el ánodo está horizontal a la superficie del suelo.Hecho de un metal conductor inerte, el cátodo se asienta verticalmente encima del ánodo.

Aunque todo el dispositivo está enterrado, el diseño vertical garantiza que el extremo superior quede al ras de la superficie del suelo.Una tapa impresa en 3D descansa sobre el dispositivo para evitar que caigan residuos en su interior.Y un orificio en la parte superior y una cámara de aire vacía a lo largo del cátodo permiten un flujo de aire constante.

El extremo inferior del cátodo permanece ubicado profundamente debajo de la superficie, asegurando que permanezca hidratado del suelo húmedo circundante, incluso cuando el suelo de la superficie se seca con la luz del sol.Los investigadores también cubrieron parte del cátodo con material impermeabilizante para permitirle respirar durante una inundación.Y, después de una posible inundación, el diseño vertical permite que el cátodo se seque gradualmente en lugar de hacerlo todo de una vez.

En promedio, la pila de combustible resultante generó 68 veces másfuerzade lo necesario para operar sus sensores.También era lo suficientemente robusto como para soportar grandes cambios enhumedad del sueloâdesde algo seco (41% de agua por volumen) hasta completamente bajo el agua.

Hacer que la informática sea accesible

Los investigadores dicen que todos los componentes de su MFC a base de suelo se pueden comprar en una ferretería local.A continuación, planean desarrollar un MFC basado en el suelo y elaborado con materiales totalmente biodegradables.Ambos diseños evitan complicadas cadenas de suministro y evitan el uso de minerales conflictivos.

"Con la pandemia de COVID-19, todos nos familiarizamos con cómo una crisis puede alterar la cadena de suministro global de productos electrónicos", dijo el coautor del estudio Josiah Hester, ex miembro de la facultad de Northwestern que ahora está en el Instituto de Tecnología de Georgia."Queremos construir dispositivos que utilicen cadenas de suministro locales y materiales de bajo costo para que la informática sea accesible para todas las comunidades".

Más información:Bill Yen et al, Computación impulsada por el suelo,Actas de la ACM sobre tecnologías interactivas, móviles, portátiles y ubicuas(2024).DOI: 10.1145/3631410