Wetenschappers ontwikkelen een nieuwe, door vuil aangedreven brandstofcel die eeuwig blijft draaien

Een team van onderzoekers onder leiding van de Northwestern University heeft een nieuwe brandstofcel ontwikkeld die energie oogst van microben die in het vuil leven.

De op de bodem gebaseerde technologie is ongeveer zo groot als een gewoon papieren boek en zou ondergrondse sensoren kunnen aandrijven die worden gebruikt in precisielandbouw en groene infrastructuur. Dit biedt potentieel een duurzaam, hernieuwbaar alternatief voor batterijen, die giftige en ontvlambare chemicaliën bevatten die in de grond lekken, beladen zijn met door conflicten geteisterde toeleveringsketens en bijdragen aan het steeds groter wordende e-waste-probleem.

Om de nieuwe brandstofcel te testen, gebruikten de onderzoekers deze om sensoren aan te sturen die het bodemvocht meten en aanraking detecteren, een mogelijkheid die waardevol zou kunnen zijn voor het volgen van passerende dieren. Om draadloze communicatie mogelijk te maken, hebben de onderzoekers de bodemsensor ook uitgerust met een kleine antenne om gegevens naar een nabijgelegen basisstation te verzenden door bestaande radiofrequentiesignalen te reflecteren.

Niet alleen presteerde de brandstofcel onder natte en droge omstandigheden, maar zijn vermogen overtrof vergelijkbare technologieën ook met 120%.

Het onderzoek zal vandaag (12 januari) worden gepubliceerd in de Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable, and Ubiquitous Technologies. De auteurs van het onderzoek maken ook alle ontwerpen, tutorials en simulatietools openbaar, zodat anderen het onderzoek kunnen gebruiken en erop kunnen voortbouwen.

“Het aantal apparaten dat is verbonden met het Internet of Things (IoT) groeit voortdurend”, zegt Bill Yen, een afgestudeerde student aan de Northwestern University die het werk leidde. “Als we ons een toekomst voorstellen met biljoenen van deze apparaten, zullen we niet in staat zijn ze allemaal te bouwen met behulp van lithium, zware metalen en gifstoffen die een risico vormen voor het milieu. We moeten alternatieven vinden die kleine hoeveelheden kunnen leveren energie om een ​​gedecentraliseerd netwerk van apparaten van stroom te voorzien. In onze zoektocht naar oplossingen hebben we gekeken naar microbiële brandstofcellen in de bodem, die speciale microben gebruiken om de bodem af te breken en die lage hoeveelheid energie te gebruiken om sensoren van stroom te voorzien. Zolang er organische koolstof is in de bodem zodat de microben kunnen worden afgebroken, kan de brandstofcel mogelijk eeuwig meegaan.

Bill Yen, de hoofdauteur van het onderzoek, begroef de brandstofcel tijdens tests in het laboratorium van de Northwestern University. Krediet: Northwestern Universiteit

“Deze microben zijn overal. Ze leven eigenlijk overal in de bodem”, zegt George Wells van de Northwestern University, senior auteur van het onderzoek. “We kunnen heel eenvoudige technische systemen gebruiken om elektriciteit te verkrijgen. We gaan niet hele steden van deze energie voorzien. Maar we kunnen kleine hoeveelheden energie opvangen voor praktische, energiezuinige toepassingen.

Wells is universitair hoofddocent civiele techniek en milieutechniek aan de McCormick School of Engineering in Northwestern. Nu een Ph.D. Yin, een student aan Stanford University, begon dit project toen hij nog onderzoeker was in het laboratorium van Wells.

Oplossingen voor een vuile klus

De afgelopen jaren hebben boeren over de hele wereld steeds meer precisielandbouw aangenomen als strategie om de gewasopbrengsten te verbeteren. De op technologie gebaseerde aanpak is gebaseerd op het meten van nauwkeurige niveaus van vocht, voedingsstoffen en verontreinigende stoffen in de bodem om beslissingen te nemen die de gezondheid van gewassen bevorderen. Dit vereist een groot en verspreid netwerk van elektronische apparaten om voortdurend milieugegevens te verzamelen.

“Als je een sensor in de wildernis, op een boerderij of in een moerasgebied wilt plaatsen, kun je er alleen een batterij in plaatsen of zonne-energie oogsten”, zegt Yen. “Zonnepanelen werken niet goed in vuile omgevingen omdat ze bedekt zijn met vuil, ze werken niet als de zon niet schijnt en ze nemen veel ruimte in beslag. Batterijen zijn ook een uitdaging omdat ze leeg raken Boeren zullen niet rondlopen op een boerderij van 100 hectare en regelmatig batterijen vervangen of zonnepanelen afstoffen.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, vroegen Wells, Wayne en hun medewerkers zich af of ze in plaats daarvan energie uit de bestaande omgeving konden oogsten. “We kunnen energie oogsten uit de bodem die boeren sowieso monitoren”, zegt Yen.

'Gefrustreerde pogingen'

Op de bodem gebaseerde microbiële brandstofcellen (MFC's) maakten hun debuut in 1911 en werken als een batterij: met een anode, kathode en elektrolyt. Maar in plaats van chemicaliën te gebruiken om elektriciteit op te wekken, verzamelen MFC's elektriciteit van bacteriën die op natuurlijke wijze elektronen doneren aan nabijgelegen geleiders. Wanneer deze elektronen van de anode naar de kathode stromen, vormen ze een elektrisch circuit.

De brandstofcel wordt bedekt met vuil nadat hij voor onderzoek uit de grond is gehaald. Krediet: Bill Yen/Northwestern University

Maar om microbiële brandstofcellen ononderbroken te kunnen laten werken, moeten ze vochtig blijven en van zuurstof worden voorzien, wat moeilijk is als ze ondergronds in droog vuil worden begraven.

“Hoewel MSC’s als concept al meer dan een eeuw bestaan, hebben hun onbetrouwbare prestaties en lage productiecapaciteit pogingen om er praktisch gebruik van te maken gefrustreerd, vooral in omstandigheden met lage luchtvochtigheid”, aldus Yin.

Winnende techniek

Met deze uitdagingen in het achterhoofd begonnen Yin en zijn team aan een twee jaar durende reis om een ​​praktische en betrouwbare bodemgebaseerde MFC-cel te ontwikkelen. Zijn reis omvatte het creëren en vergelijken van vier verschillende versies. Eerst verzamelden de onderzoekers negen maanden aan gegevens over de prestaties van elk ontwerp. Vervolgens testten ze hun definitieve versie in een openluchtpark.

Het best presterende prototype presteerde zowel onder droge omstandigheden als onder water goed. Het geheim achter het succes: de techniek. In plaats van het traditionele ontwerp te gebruiken, waarbij de anode en kathode evenwijdig aan elkaar zijn, maakte de winnende brandstofcel gebruik van een orthogonaal ontwerp.

De anode is gemaakt van koolstofvilt (een gemakkelijk verkrijgbare en goedkope geleider voor het opvangen van microbe-elektronen) en staat horizontaal ten opzichte van de grond. De kathode bestaat uit een inert, geleidend metaal en wordt verticaal boven de anode geplaatst.

Hoewel het hele apparaat ingegraven is, zorgt het verticale ontwerp ervoor dat het bovenste uiteinde gelijk ligt met het grondoppervlak. Er zit een 3D-geprinte hoes bovenop het apparaat om te voorkomen dat er vuil naar binnen valt. Het gat bovenaan en de lege luchtkamer naast de kathode zorgen voor een constante luchtstroom.

Het onderste uiteinde van de kathode blijft diep onder het oppervlak gepositioneerd, waardoor deze vochtig blijft van de omringende natte grond, zelfs als de bovengrond in zonlicht opdroogt. De onderzoekers bedekten ook een deel van de kathode met waterdicht materiaal, zodat deze tijdens overstromingen kon ademen. Na een potentiële overstroming zorgt het verticale ontwerp ervoor dat de kathode geleidelijk droogt in plaats van in één keer.

Gemiddeld genereerde de resulterende brandstofcel 68 keer meer stroom dan nodig was om de sensoren te laten werken. Het was ook robuust genoeg om grote veranderingen in het bodemvocht te weerstaan ​​– van enigszins droog (41% water per volume) tot volledig onder water.

Computer toegankelijk maken voor iedereen

Alle componenten van op de bodem gebaseerde MFC kunnen worden gekocht bij een plaatselijke bouwmarkt, zeggen onderzoekers. Vervolgens zijn ze van plan een bodemgebaseerde MFC te ontwikkelen, gemaakt van volledig biologisch afbreekbare materialen. Beide ontwerpen omzeilen complexe toeleveringsketens en vermijden het gebruik van conflictmineralen.

“Met de COVID-19 “We zijn ons allemaal bewust geworden van hoe een crisis de mondiale toeleveringsketen voor elektronica kan ontwrichten”, zegt co-auteur van het onderzoek Josiah Hester, voormalig faculteitslid aan de Northwestern University en nu werkzaam bij het Georgia Institute of Technology. “We willen apparaten bouwen die gebruikmaken van lokale toeleveringsketens en goedkope materialen, zodat computers voor alle gemeenschappen toegankelijk zijn.”

Referentie: “Soil-Powered Computing” door Bill Yen, Laura Gleave, Luis Gutierrez, Veluthi Sahinidis, Sadie Bernstein, John Madden, Steven Taylor, Colin Josephson, Pat Panuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora en Josiah Hester, januari 11. 2024, Proceedings van de ACM over interactieve, mobiele, draagbare en alomtegenwoordige technologieën.
doi: 10.1145/3631410

De studie werd ondersteund door de National Science Foundation (Award No. CNS-2038853), het Agricultural and Food Research Initiative (Award No. 2023-67021-40628) van het USDA National Institute of Food and Agriculture, de Alfred P. Sloan Foundation en VMware. Onderzoek en 3M.