Zinātnieki izstrādā jaunu ar netīrumiem darbināmu degvielas šūnu, kas darbojas mūžīgi

Ziemeļrietumu universitātes vadītā pētnieku komanda ir izstrādājusi jaunu kurināmā elementu, kas iegūst enerģiju no netīrumos mītošajiem mikrobiem.

Apmēram parastas papīra grāmatas lielumā uz augsnes balstītā tehnoloģija varētu darbināt pazemes sensorus, ko izmanto precīzajā lauksaimniecībā un zaļajā infrastruktūrā. Tas potenciāli nodrošina ilgtspējīgu, atjaunojamu alternatīvu akumulatoriem, kas satur toksiskas un viegli uzliesmojošas ķīmiskas vielas, kas izskalojas zemē, ir pilnas ar konfliktu skartām piegādes ķēdēm un veicina arvien pieaugošo e-atkritumu problēmu.

Lai pārbaudītu jauno kurināmā elementu, pētnieki to izmantoja, lai darbinātu sensorus, kas mēra augsnes mitrumu un nosaka pieskārienu, kas varētu būt vērtīga garāmejošu dzīvnieku izsekošanai. Lai nodrošinātu bezvadu sakarus, pētnieki arī aprīkoja augsnes sensoru ar nelielu antenu, lai pārraidītu datus uz tuvējo bāzes staciju, atspoguļojot esošos radiofrekvences signālus.

Degvielas šūna ne tikai darbojās mitros un sausos apstākļos, bet arī tās jauda pārsniedza līdzīgas tehnoloģijas par 120%.

Pētījums tiks publicēts šodien (12. janvārī) Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable, and Ubiquitous Technologies. Pētījuma autori arī publisko visus dizainus, apmācības un simulācijas rīkus, lai citi varētu izmantot pētījumu un turpināt to.

“Ar lietu internetu (IoT) pieslēgto ierīču skaits nepārtraukti pieaug,” sacīja Bils Jens, Ziemeļrietumu universitātes absolvents, kurš vadīja darbu. “Ja mēs iedomājamies nākotni ar triljoniem šo ierīču, mēs nevarēsim izveidot katru no tām, izmantojot litiju, smagos metālus un toksīnus, kas rada risku videi. Mums ir jāatrod alternatīvas, kas var nodrošināt nelielu daudzumu enerģiju, lai darbinātu decentralizētu ierīču tīklu. Meklējot risinājumus, mēs apskatījām augsnes mikrobu kurināmā elementus, kas izmanto īpašus mikrobus, lai sadalītu augsni un izmantotu šo zemo enerģijas daudzumu sensoru darbināšanai. Ja vien ir organiskais ogleklis augsnē, lai mikrobi varētu sadalīties, kurināmā šūna var kalpot mūžīgi.

Bils Jens, pētījuma galvenais autors, apglabāja degvielas elementu testēšanas laikā Ziemeļrietumu universitātes laboratorijā. Kredīts: Ziemeļrietumu universitāte

“Šie mikrobi ir visur. Tie faktiski dzīvo augsnē visur,” sacīja Džordžs Velss no Ziemeļrietumu universitātes, pētījuma vecākais autors. “Mēs varam izmantot ļoti vienkāršas inženierijas sistēmas, lai iegūtu elektrību. Mēs ar šo enerģiju neapgādāsim veselas pilsētas. Taču mēs varam uzņemt nelielu daudzumu enerģijas, lai darbinātu praktiskus, mazjaudas lietojumus.

Velss ir civilās un vides inženierijas asociētais profesors Northwestern's McCormick Engineering School. Tagad Ph.D. Iņs, Stenfordas universitātes students, sāka šo projektu, kamēr viņš bija bakalaura pētnieks Velsas laboratorijā.

Risinājumi netīram darbam

Pēdējos gados lauksaimnieki visā pasaulē arvien vairāk ir pieņēmuši precīzo lauksaimniecību kā stratēģiju ražas uzlabošanai. Uz tehnoloģijām balstītā pieeja balstās uz precīzu mitruma, barības vielu un piesārņotāju līmeņa mērīšanu augsnē, lai pieņemtu lēmumus, kas veicina labības veselību. Tam nepieciešams liels un izkliedēts elektronisko ierīču tīkls, lai nepārtraukti vāktu vides datus.

“Ja vēlaties novietot sensoru tuksnesī, fermā vai mitrājā, jūs aprobežojaties ar akumulatora ievietošanu vai saules enerģijas ieguvi,” sacīja Jena. “Saules paneļi nedarbojas labi netīrā vidē, jo tie ir klāti ar netīrumiem, tie nedarbojas, kad saule nav ārā, un tie aizņem daudz vietas. Baterijas ir arī izaicinājums, jo tiem beidzas jauda. Lauksaimnieki nestaigās pa 100 akru lielu fermu, regulāri mainot baterijas vai notīrot saules paneļus.

Lai pārvarētu šīs problēmas, Velss, Veins un viņu līdzstrādnieki domāja, vai viņi varētu iegūt enerģiju no esošās vides. “Mēs varam novākt enerģiju no augsnes, kuru lauksaimnieki tik un tā uzrauga,” sacīja Jena.

“Neapmierinātie centieni”

Debitējot 1911. gadā, augsnes mikrobu kurināmā elementi (MFC) darbojas kā akumulators — ar anodu, katodu un elektrolītu. Bet tā vietā, lai elektrības ražošanai izmantotu ķīmiskas vielas, MFC savāc elektroenerģiju no baktērijām, kas dabiski ziedo elektronus blakus esošajiem vadītājiem. Kad šie elektroni plūst no anoda uz katodu, tie veido elektrisko ķēdi.

Degvielas šūna ir pārklāta ar netīrumiem pēc tam, kad tā ir izņemta no zemes pētījumiem. Kredīts: Bill Yen / Ziemeļrietumu universitāte

Bet, lai mikrobu kurināmā elementi darbotos bez pārtraukumiem, tiem jāpaliek mitriem un apgādātiem ar skābekli, kas ir grūti, ja tie tiek aprakti zem zemes sausos netīrumos.

“Lai gan MSC kā jēdziens pastāv jau vairāk nekā gadsimtu, to neuzticamā veiktspēja un zemā ražošanas jauda ir apgrūtinājusi centienus tos praktiski izmantot, īpaši zema mitruma apstākļos,” sacīja Iņs.

Uzvaroša inženierija

Paturot prātā šos izaicinājumus, Yin un viņa komanda uzsāka divu gadu ceļojumu, lai izstrādātu praktisku un uzticamu augsnes bāzes MFC šūnu. Viņa ceļojums ietvēra četru dažādu versiju izveidi un salīdzināšanu. Pirmkārt, pētnieki savāca deviņu mēnešu datus par katra dizaina veiktspēju. Pēc tam viņi pārbaudīja savu galīgo versiju āra parkā.

Labākā veiktspējas prototips labi darbojās gan sausos apstākļos, gan iegremdētā vidē. Tās panākumu noslēpums: tā inženierija. Tā vietā, lai izmantotu tradicionālo dizainu, kur anods un katods ir paralēli viens otram, uzvarējušajā degvielas šūnā tika izmantots ortogonāls dizains.

Izgatavots no oglekļa filca (viegli pieejams un lēts vadītājs mikrobu elektronu uztveršanai), anods atrodas horizontāli pret zemi. Katods sastāv no inerta, vadoša metāla un ir novietots vertikāli virs anoda.

Lai gan visa ierīce ir aprakta, vertikālā konstrukcija nodrošina, ka augšējais gals ir vienā līmenī ar zemes virsmu. Ierīces augšpusē ir 3D drukāts vāciņš, lai novērstu gružu iekļūšanu iekšpusē. Augšpusē esošais caurums un tukšā gaisa kamera, kas atrodas blakus katodam, nodrošina pastāvīgu gaisa plūsmu.

Katoda apakšējais gals paliek dziļi zem virsmas, nodrošinot, ka tas paliek mitrs no apkārtējās mitrās augsnes, pat ja augsnes virskārta izžūst saules gaismā. Pētnieki arī pārklāja daļu katoda ar hidroizolācijas materiālu, lai ļautu tai elpot applūšanas laikā. Pēc potenciāla applūšanas vertikālā konstrukcija ļauj katodam izžūt pakāpeniski, nevis visu uzreiz.

Vidēji iegūtā kurināmā šūna radīja 68 reizes vairāk enerģijas, nekā bija nepieciešams sensoru darbināšanai. Tas bija arī pietiekami izturīgs, lai izturētu lielas augsnes mitruma izmaiņas – no nedaudz sausa (41% ūdens pēc tilpuma) līdz pilnīgi zemūdens.

Padarot skaitļošanu pieejamu ikvienam

Pētnieki saka, ka visas augsnes bāzes MFC sastāvdaļas var iegādāties vietējā datortehnikas veikalā. Pēc tam viņi plāno izstrādāt uz augsni balstītu MFC, kas izgatavots no pilnībā bioloģiski noārdāmiem materiāliem. Abi modeļi apiet sarežģītas piegādes ķēdes un izvairās no konfliktu izrakteņu izmantošanas.

“Ar Covid 19 “Mēs visi esam sapratuši, kā krīze var izjaukt globālo elektronikas piegādes ķēdi,” sacīja pētījuma līdzautore Džosija Hestere, bijušais Ziemeļrietumu universitātes mācībspēks, kurš tagad strādā Džordžijas Tehnoloģiju institūtā. “Mēs vēlamies izveidot ierīces, kurās tiek izmantotas vietējās piegādes ķēdes un zemu izmaksu materiāli, lai skaitļošana būtu pieejama visām kopienām.”

Atsauce: Bill Yen, Laura Gleave, Luis Gutierrez, Veluthi Sahinidis, Sadie Bernstein, John Madden, Steven Taylor, Colin Josephson, Pat Panuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora un Josiah Hester, janvāris “Soil-Powered Computing” 11 . 2024, ACM lietas par interaktīvajām, mobilajām, valkājamām un visuresošām tehnoloģijām.
doi: 10.1145/3631410

Pētījumu atbalstīja Nacionālais zinātnes fonds (balva Nr. CNS-2038853), USDA Nacionālā pārtikas un lauksaimniecības institūta Lauksaimniecības un pārtikas pētniecības iniciatīva (balvas Nr. 2023-67021-40628), Alfrēda P. Slouna fonds. un VMware. Pētījumi un 3M.