Ученые из Северо-Западного университета создали устройство размером с книгу, которое может бесконечно генерировать электричество прямо из земли, используя энергию, выделяемую микробами при разложении почвы.
Как это работает?
Подобные «микробные топливные элементы» известны уже более 100 лет. По принципу работы они похожи на батарейки, так как имеют анод, катод и электролит. Но вместо химических источников энергии они используют бактерии, которые выделяют электроны на ближайшие проводники, «питаясь» почвой. Главной проблемой до сих пор было обеспечение таких батарей водой и кислородом, учитывая, что они должны находиться под землей.
Теперь ученые разработали несколько новых конструкций, обеспечивающих постоянный доступ к кислороду и воде. Успешным оказался дизайн в форме картриджа, вертикально установленного на горизонтальном диске. Карбоново-войлочный анод в форме диска лежит горизонтально на дне устройства, глубоко в почве, где он может улавливать электроны, выделяемые микробами.
Проводящий металлический катод, в свою очередь, располагается вертикально сверху анода. Нижняя часть находится достаточно глубоко, чтобы иметь доступ к влаге из глубоких слоев почвы, в то время как верхняя часть находится вровень с поверхностью. По всей длине электрода проходит воздух, а защитный колпачок сверху предотвращает попадание грязи и мусора, который может перекрыть доступ катода к кислороду. Часть катода также покрыта водоотталкивающим материалом, так что даже во время наводнения гидрофобный участок катода остается в контакте с кислородом, поддерживая работу топливного элемента.
Во время испытаний эта конструкция показала стабильную работу при различных уровнях влажности почвы, от полностью залитой водой до «слегка сухой» (41% воды по объему). В среднем она генерировала в 68 раз больше энергии, чем требовалось для работы встроенных сенсоров влажности и датчиков прикосновения, а также передачи данных через крошечную антенну на ближайшую базовую станцию.
Зачем это нужно?
Следует понимать, что количество энергии, генерируемое земляной батареей, недостаточно для питания автомобиля или смартфона. Речь, скорее, о питании небольших датчиков, которые могут работать в течение длительного времени без необходимости регулярной замены батарей.
«Если представить себе будущее с триллионами таких устройств, мы не можем строить их все из лития, тяжелых металлов и токсинов, опасных для окружающей среды. Нам нужны альтернативы, которые могут обеспечить небольшое количество энергии для питания децентрализованной сети устройств. В поисках решений мы обратились к почвенным микробным топливным элементам, которые используют специальные микробы для разложения почвы и использования этого небольшого количества энергии для питания датчиков. Пока в почве есть органический углерод, который могут разлагать микробы, топливный элемент может потенциально работать вечно», - говорит руководитель проекта Билл Йен.
Такие датчики могут быть очень полезны для фермеров, которые хотят контролировать различные элементы почвы – влажность, питательные вещества, загрязнители и т.д. – и применять основанный на технологиях подход к «точному земледелию». Разместите несколько десятков таких устройств на своем участке, и они будут собирать данные на протяжении многих лет, возможно, даже десятилетий.
Самое интересное, что все компоненты этой конструкции можно купить в обычном хозяйственном магазине. Таким образом, никаких проблем с цепочками поставок или материалами нет.
Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies.
