Исследователи из Северо-Западного университета представили уникальный топливный элемент, который производит электроэнергию благодаря микроорганизмам, естественно присутствующим в почве. Это инновационное устройство использует энергию, выделяющуюся во время разложения органических веществ микробами, и может стать экологически чистой альтернативой традиционным батарейкам в устройствах для точного земледелия и экологического мониторинга.
Об этом сообщает ProIT
Экологическая альтернатива батарейкам для датчиков
Топливный элемент имеет размер книги в мягкой обложке и разработан для питания подземных датчиков, которые используются для измерения влажности почвы, фиксации перемещения животных и передачи данных через беспроводную связь. Система отличается чрезвычайно низким потреблением энергии благодаря использованию антенны, которая отражает существующие радиочастотные сигналы. Такой подход позволяет избежать использования токсичных и легковоспламеняющихся материалов, характерных для батареек, а также минимизирует электронные отходы и зависимость от глобальных цепочек поставок.
Испытания показали, что устройство стабильно работает в различных условиях — от сухой до затопленной почвы, и обеспечивает электроэнергию для датчиков на 120% дольше, чем аналогичные системы. В среднем оно генерирует в 68 раз больше энергии, чем необходимо для функционирования датчиков.
Инновации в конструкции и будущие перспективы
Ключевым достижением стало изменение расположения основных элементов устройства: анод из углеродного фетра размещён горизонтально под землёй, а катод из металла — вертикально к поверхности. Такая геометрия позволяет эффективно использовать как влажность, так и кислород, необходимые для работы устройства. Защитный колпак, напечатанный на 3D-принтере, защищает устройство от мусора и обеспечивает циркуляцию воздуха, а водонепроницаемое покрытие повышает устойчивость во время наводнений.
Микробные топливные элементы (MFC) работают схожим образом с батарейкой, но вместо химических реакций используют бактерии, которые выделяют электроны. Когда электроны перемещаются через систему, возникает электрический ток. Несмотря на то, что концепция MFC существует уже более ста лет, лишь сейчас удалось достичь стабильной работы даже в засушливых условиях.
“Нам нужно найти альтернативы, которые могут обеспечить небольшое количество энергии для питания децентрализованной сети устройств. В поисках решений мы обратились к микробным топливным элементам на основе почвы, которые используют специальные микробы для разложения почвы и применяют эту небольшую энергию для питания датчиков. Пока в почве есть органический углерод, который микробы могут разлагать, топливный элемент потенциально может работать вечно”, — сказал выпускник Северо-Западного университета Билл Ен, который возглавил работу.
Исследователи опубликовали проекты, учебные материалы и инструменты для симуляции, чтобы другие учёные могли развивать эту технологию. Уже ведутся работы по усовершенствованию материалов и переходу к полностью биораслагаемым версиям, которые ещё больше снизят воздействие на окружающую среду и не будут зависеть от сложных цепочек поставок или дефицитных минералов.
Хотя мощности устройства недостаточно для питания крупных систем, оно идеально подходит для поддержки работы маломощных IoT-устройств в сельском хозяйстве и экологическом мониторинге. Все компоненты можно собрать из доступных строительных материалов, что делает технологию доступной для различных сообществ по всему миру.