Forskare utvecklar en ny markdriven bränslecell som går för evigt

By | February 4, 2024

Forskare vid Northwestern University har introducerat en bränslecell som drivs av jordmikrober, som avsevärt överträffar liknande teknologier och ger en hållbar lösning för att driva lågenergienheter, med full allmän tillgång till deras design för bred användning. Det 3D-printade bränslecellslocket kikar ovanför marken. Locket håller smuts borta från enheten och tillåter luftflöde. Kredit: Bill Yen/Northwestern University

Ett team av forskare under ledning av Northwestern University har utvecklat en ny bränslecell som skördar energi från mikrober som lever i jorden.

Ungefär lika stor som en vanlig pocketbok kan den helt markdrivna tekniken driva underjordiska sensorer som används i precisionsjordbruk och grön infrastruktur. Detta kan potentiellt erbjuda ett hållbart, förnybart alternativ till batterier, som innehåller giftiga och brandfarliga kemikalier som läcker ut i marken, plågas av konfliktfyllda leveranskedjor och bidrar till det växande e-avfallsproblemet.

För att testa den nya bränslecellen använde forskarna den för att driva sensorer som mäter markfuktighet och upptäcker beröring, en förmåga som kan vara värdefull för att spåra passerande djur. För att möjliggöra trådlös kommunikation utrustade forskarna också den markdrivna sensorn med en liten antenn för att överföra data till en närliggande basstation genom att reflektera befintliga radiofrekvenssignaler.

Bränslecellen fungerade inte bara i både våta och torra förhållanden, utan dess effekt översteg också liknande teknologier med 120 %.

Forskningen kommer att publiceras idag (12 januari) i Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Studiens författare gör också alla konstruktioner, handledningar och simuleringsverktyg offentliga, så att andra kan använda och bygga vidare på forskningen.

“Antalet enheter i Internet of Things (IoT) växer ständigt”, säger Northwestern alumn Bill Yen, som ledde arbetet. “Om vi ​​föreställer oss en framtid med miljarder av dessa enheter kan vi inte bygga var och en av dem med litium, tungmetaller och gifter som är farliga för miljön. Vi måste hitta alternativ som kan ge låga mängder energi för att driva ett decentraliserat nätverk av enheter. I ett sökande efter lösningar tittade vi på markmikrobiella bränsleceller, som använder speciella mikrober för att bryta ner jord och använda den lilla mängden energi för att driva sensorer. Så länge det finns organiskt kol i jorden för mikrober att bryta ner, kan bränslecellen potentiellt vara för evigt.”

Bill Yen testar bränslecellen

Bill Yen, studiens huvudförfattare, begravde bränslecellen under testning vid Northwestern University-labbet. Kredit: Northwestern University

”Dessa mikrober finns överallt; De lever redan i jorden överallt, säger Northwesterns George Wells, huvudförfattare till studien. “Vi kan använda mycket enkla tekniska system för att fånga upp dess elektricitet. Vi kommer inte att driva hela städer med denna energi. Men vi kan fånga små mängder energi för att driva praktiska applikationer med låg effekt.”

Wells är docent i civil- och miljöteknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering. Nu doktorand. En student vid Stanford University, Yen började detta projekt när han var en grundutbildning forskare i Wells laboratoriet.

Lösningar för smutsigt arbete

Under de senaste åren har bönder runt om i världen alltmer anammat precisionsjordbruk som en strategi för att förbättra skördarna. Det teknikdrivna tillvägagångssättet bygger på att mäta exakta nivåer av fukt, näringsämnen och föroreningar i jorden för att fatta beslut som förbättrar grödans hälsa. Detta kräver ett stort, spritt nätverk av elektroniska enheter för att kontinuerligt samla in miljödata.

“Om du vill placera en sensor i det vilda, på en gård eller i en våtmark, är du tvungen att sätta ett batteri på den eller samla in solenergi,” sa Yen. ”Solpaneler fungerar inte bra i smutsiga miljöer eftersom de blir täckta av smuts, de fungerar inte när det inte är sol och de tar mycket plats. Batterier är också en utmaning eftersom de tar slut på energi. “Bönder kommer inte att gå runt en 100 hektar stor gård för att periodvis byta batterier eller damma av solpaneler.”

För att övervinna dessa utmaningar undrade Wells, Yen och deras medarbetare om de istället kunde skörda energi från den befintliga miljön. “Vi skulle kunna skörda energi från jorden som bönderna övervakar ändå,” sa Yen.

“Ansträngningar blockerade”

Jordbaserade mikrobiella bränsleceller (MFC), som först dök upp 1911, fungerar som ett batteri: med en anod, en katod och en elektrolyt. Men istället för att använda kemikalier för att generera elektricitet, får MFC:er elektricitet från bakterier som naturligt donerar elektroner till närliggande ledare. När dessa elektroner strömmar från anoden till katoden skapas en elektrisk krets.

Jordmatad bränslecell

Bränslecellen, täckt av smuts efter att ha tagits ut ur marken för studier. Kredit: Bill Yen/Northwestern University

Men för att mikrobiella bränsleceller ska fungera utan avbrott måste de förbli hydrerade och syresatta, vilket är svårt när de begravs under jorden i torr jord.

“Även om MFC:er har funnits som ett koncept i mer än ett sekel, har deras opålitliga prestanda och låga uteffekt hindrat ansträngningarna att göra praktisk användning av dem, särskilt under låg luftfuktighet”, sa Yen.

Vinnande geometri

Med dessa utmaningar i åtanke påbörjade Yen och hans team en tvåårig resa för att utveckla en praktisk och pålitlig jordbaserad MFC. Deras expedition innefattade skapandet och jämförelsen av fyra olika versioner. Först samlade forskarna sammanlagt nio månaders data om prestandan för varje design. Sedan testade de sin slutliga version i en utomhusträdgård.

Den bäst presterande prototypen fungerade bra i både torra förhållanden och en vattendränkt miljö. Hemligheten bakom dess framgång: dess geometri. Istället för att använda en traditionell design, där anoden och katoden är parallella med varandra, utnyttjade den vinnande bränslecellen en vinkelrät design.

Tillverkad av kolfilt (en riklig och billig ledare för att fånga elektroner från mikrober), anoden är horisontell mot markytan. Tillverkad av en inert ledande metall, katoden sitter vertikalt ovanför anoden.

Även om hela enheten är begravd, säkerställer den vertikala designen att den övre änden är i jämnhöjd med markytan. Ett 3D-printat lock vilar på enheten för att förhindra att skräp faller in. Och ett hål i toppen och en tom luftkammare längs katoden möjliggör konstant luftflöde.

Den nedre änden av katoden förblir placerad djupt under ytan, vilket säkerställer att den förblir hydrerad från den omgivande fuktiga jorden, även när jordytan torkar ut från solljus. Forskarna täckte också en del av katoden med vattentätande material för att låta den andas under en översvämning. Och efter potentiell översvämning tillåter den vertikala designen att katoden torkar gradvis snarare än allt på en gång.

I genomsnitt genererade den resulterande bränslecellen 68 gånger mer energi än vad som behövdes för att driva sina sensorer. Den var också robust nog att stå emot stora förändringar i markfuktigheten, från något torr (41% vatten i volym) till helt under vatten.

Gör datoranvändning tillgänglig

Forskarna säger att alla komponenter i deras jordbaserade MFC kan köpas i en lokal järnaffär. Därefter planerar de att utveckla en jordbaserad MFC gjord av helt biologiskt nedbrytbara material. Båda designerna undviker komplicerade leveranskedjor och undviker användningen av konfliktmineraler.

“Med

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *