Pesquisadores liderados pela Northwestern University desenvolveram uma célula de combustível que utiliza micróbios que ocorrem naturalmente no solo para gerar eletricidade. O dispositivo, aproximadamente do tamanho de um livro de bolso, produz pequenas quantidades de energia ao capturar a energia liberada à medida que esses microrganismos decompõem a matéria orgânica da sujeira.
Este sistema acionado no solo foi projetado para acionar sensores subterrâneos usados em agricultura de precisão e monitoramento ambiental. Oferece uma alternativa viável às baterias tradicionais, que contêm materiais tóxicos e inflamáveis, dependem de cadeias de abastecimento globais complexas e contribuem para o aumento do lixo eletrónico.
Sensor de alimentação sem bateria
Para demonstrar as suas capacidades, a equipa utilizou células de combustível para operar sensores que medem a humidade do solo e detectam o toque. Essa capacidade de detecção de toque pode ajudar a monitorar o movimento da vida selvagem, como animais cruzando um campo. O sistema também inclui uma pequena antena que reflete os sinais de radiofrequência existentes para enviar dados sem fio, mantendo o consumo de energia extremamente baixo.
O dispositivo provou ser confiável em diversas condições. Funciona tanto em solo seco como em ambientes inundados e produz energia mais sustentada do que sistemas semelhantes, durando cerca de 120% mais.
O estudo foi publicado Procedimentos da Associação de Máquinas de Computação em Tecnologias Interativas, Móveis, Vestíveis e Ubíquas. Os pesquisadores tornaram públicos seus projetos, tutoriais e ferramentas de simulação para que outros possam desenvolver o trabalho.
Por que os micróbios do solo são importantes para a Internet das Coisas
“O número de dispositivos na Internet das Coisas (IoT) continua a crescer”, disse Bill Yen, ex-aluno da Northwestern, que liderou o trabalho. “Se imaginarmos um futuro com esses trilhões de dispositivos, não poderemos fabricar cada um deles com lítio, metais pesados e toxinas que são perigosas para o meio ambiente. Precisamos encontrar alternativas que possam fornecer menos energia para alimentar uma rede descentralizada de dispositivos. Em busca de uma solução, procuramos células de combustível microbianas do solo, que usam menos energia para alimentar microorganismos e menos energia. Enquanto houver carbono orgânico no solo para os micróbios se decomporem, a célula de combustível pode potencialmente durar para sempre pode.
As células de combustível microbianas, muitas vezes chamadas de MFCs, funcionam um pouco como baterias. Eles incluem ânodo, cátodo e eletrólito, mas em vez de reações químicas, dependem de bactérias que liberam elétrons naturalmente. Quando esses elétrons se movem pelo sistema, eles criam uma corrente elétrica.
“Esses micróbios são onipresentes; eles já vivem no solo em todos os lugares”, disse George Wells, da Northwestern, autor sênior do estudo. “Podemos usar sistemas de engenharia muito simples para capturar sua eletricidade. Não vamos abastecer cidades inteiras com essa energia. Mas podemos capturar quantidades mínimas de energia para abastecer aplicações práticas e de baixo consumo de energia.”
Desafios com sensores alimentados por energia solar e por bateria
A agricultura de precisão depende de grandes redes de sensores que rastreiam continuamente as condições do solo, como umidade, nutrientes e poluentes. Essas informações ajudam os agricultores a tomar decisões mais informadas e a melhorar o rendimento das colheitas.
Mas alimentar esses sensores é um grande desafio. As baterias eventualmente acabam e devem ser substituídas, o que é impraticável em grandes fazendas. Os painéis solares também podem não ser confiáveis porque ficam sujos, requerem luz solar e ocupam espaço.
“Se você quiser colocar um sensor na natureza, em uma fazenda ou em um pântano, será forçado a colocar baterias nele ou coletar energia solar”, disse Yen. “Os painéis solares não funcionam bem em ambientes sujos porque ficam cobertos de sujeira, não funcionam quando não há sol e ocupam muito espaço. As baterias também são um desafio porque ficam sem energia.
Em vez disso, os investigadores concentraram-se na recolha de energia diretamente do solo, transformando o ambiente numa fonte de energia.
Por que as células de combustível microbianas falharam antes?
As células de combustível microbianas baseadas no solo existem desde 1911, mas têm lutado para oferecer um desempenho consistente. Esses sistemas requerem umidade e oxigênio para funcionar adequadamente, o que pode ser difícil de manter no subsolo, especialmente em condições secas.
“Embora os MFCs existam como conceito há mais de um século, seu desempenho pouco confiável e baixa potência de saída dificultaram os esforços para colocá-los em uso prático, especialmente sob condições de baixa umidade”, disse Yen.
Um novo design melhora o desempenho
Para resolver esses problemas, a equipe passou dois anos desenvolvendo e testando diferentes designs. Eles compararam quatro versões e coletaram nove meses de dados de desempenho antes de selecionar um protótipo final, que testaram ao ar livre.
Essa inovação vem de uma mudança na geometria. Em vez de colocar o ânodo e o cátodo paralelos entre si, o novo design os coloca perpendicularmente.
O ânodo, feltro de carbono (um condutor barato e abundante para capturar elétrons em microrganismos), está localizado horizontalmente abaixo do solo. O cátodo, feito de metal condutor, estende-se verticalmente até a superfície.
Esta estrutura ajuda a resolver vários problemas ao mesmo tempo. A parte superior do dispositivo fica exposta ao ar, garantindo um fornecimento constante de oxigênio. Ao mesmo tempo, a parte inferior fica enterrada em solo úmido, mantendo a hidratação mesmo em condições de seca. Uma tampa protetora evita a entrada de detritos, enquanto uma pequena câmara de ar permite o fluxo de ar.
O design melhora a resiliência durante inundações. Um revestimento à prova d’água permite que o cátodo continue funcionando, e o arranjo vertical permite que ele seque lentamente após a água baixar.
Resultados poderosos em situações do mundo real
O protótipo final teve um bom desempenho em uma ampla gama de condições de solo, desde solos moderadamente secos (41% de água por volume) até ambientes totalmente submersos. Em média, gerou 68 vezes mais energia do que a necessária para operar seus sensores.
Estes resultados sugerem que o sistema é robusto o suficiente para implantação no mundo real em campos agrícolas ou ambientes naturais.
Pesquisa em andamento e perspectivas futuras
Desde que a pesquisa foi publicada pela primeira vez, o interesse em células de combustível microbianas continuou a crescer. Os investigadores estão a trabalhar para melhorar a eficiência, a estabilidade e os materiais, incluindo a exploração de designs biodegradáveis que podem reduzir ainda mais o impacto ambiental.
A equipe da Northwestern observa que todas as partes do seu sistema podem ser obtidas a partir de materiais de hardware comuns. O seu objetivo agora é criar uma versão totalmente biodegradável que evite cadeias de abastecimento complexas e minerais de conflito.
“Com a pandemia da COVID-19, todos nos familiarizamos com a forma como uma crise pode perturbar as cadeias de abastecimento globais”, disse o co-autor do estudo Josiah Hester, antigo membro do corpo docente da Northwestern no Georgia Institute of Technology. “Queremos criar dispositivos que utilizem cadeias de abastecimento locais e materiais de baixo custo para tornar a computação acessível a todas as comunidades”.
Embora a tecnologia não se destine a alimentar grandes sistemas, poderá desempenhar um papel importante no apoio a dispositivos de baixo consumo de energia na agricultura, na monitorização ambiental e na Internet das Coisas em geral.
ponto principal
- Cientistas desenvolveram uma nova célula de combustível que usa micróbios naturais do solo para gerar eletricidade
- O sistema pode alimentar sensores subterrâneos que rastreiam a umidade do solo e até detectam movimento ou toque
- Ele continua a operar em uma ampla gama, desde solo seco até ambientes totalmente inundados.
- Esta tecnologia poderia oferecer uma alternativa mais limpa às baterias para sensores usados na agricultura de precisão
“Soil-Driven Computing: An Engineer’s Guide to Practical Soil Microbial Fuel Cell Design” foi apoiado pela National Science Foundation (prêmio número CNS-2038853), pela Agriculture and Food Research Initiative (prêmio número 2023-67021-40628). Fundação, VMware Research e 3M.
