Дослідники з Північно-Західного університету представили унікальний паливний елемент, що виробляє електроенергію завдяки мікроорганізмам, які природно присутні у ґрунті. Цей інноваційний пристрій використовує енергію, що виділяється під час розкладання органічних речовин мікробами, і може стати екологічно чистою альтернативою традиційним батарейкам у пристроях для точного землеробства та екологічного моніторингу.
Про це розповідає ProIT
Екологічна альтернатива батарейкам для датчиків
Паливний елемент має розмір книги у м’якій обкладинці і розроблений для живлення підземних датчиків, що використовуються для вимірювання вологості ґрунту, фіксації переміщення тварин та передачі даних через бездротовий зв’язок. Система відзначається надзвичайно низьким споживанням енергії завдяки використанню антени, яка відбиває існуючі радіочастотні сигнали. Такий підхід дозволяє уникнути використання токсичних і легкозаймистих матеріалів, характерних для батарейок, а також мінімізує електронні відходи та залежність від глобальних ланцюжків постачання.
Випробування показали, що пристрій стабільно працює в різних умовах — від сухого до затопленого ґрунту, і забезпечує електроенергію для датчиків на 120% довше, ніж аналогічні системи. У середньому він генерує у 68 разів більше енергії, ніж потрібно для функціонування датчиків.
Інновації у конструкції та майбутні перспективи
Ключовим досягненням стала зміна розташування основних елементів пристрою: анод із вуглецевого фетру розміщено горизонтально під землею, а катод із металу — вертикально до поверхні. Така геометрія дозволяє ефективно використовувати як вологість, так і кисень, необхідні для роботи пристрою. Захисний ковпак, надрукований на 3D-принтері, оберігає пристрій від сміття та забезпечує циркуляцію повітря, а водонепроникне покриття підвищує стійкість під час повеней.
Мікробні паливні елементи (MFC) працюють схожим чином до батарейки, але замість хімічних реакцій використовують бактерії, які виділяють електрони. Коли електрони переміщуються через систему, виникає електричний струм. Попри те, що концепція MFC існує вже понад століття, лише зараз вдалося досягти стабільної роботи навіть у посушливих умовах.
“Нам потрібно знайти альтернативи, які можуть забезпечити невелику кількість енергії для живлення децентралізованої мережі пристроїв. У пошуках рішень ми звернулися до мікробних паливних елементів на основі ґрунту, які використовують спеціальні мікроби для розкладання ґрунту й застосовують цю невелику кількість енергії для живлення датчиків. Доки в ґрунті є органічний вуглець, який мікроби можуть розкладати, паливний елемент потенційно може працювати вічно”, — сказав випускник Північно-Західного університету Білл Єн, який очолив роботу.
Дослідники опублікували проєкти, навчальні матеріали та інструменти для симуляції, щоб інші науковці могли розвивати цю технологію. Уже ведуться роботи з удосконалення матеріалів та переходу до повністю біорозкладаних версій, які ще більше зменшать вплив на довкілля і не залежать від складних ланцюжків постачання чи дефіцитних мінералів.
Хоча потужності пристрою недостатньо для живлення великих систем, він ідеально підходить для підтримки роботи малопотужних IoT-пристроїв у сільському господарстві та екологічному моніторингу. Всі компоненти можна зібрати з доступних будівельних матеріалів, що робить технологію доступною для різних спільнот у всьому світі.