Một nhóm các nhà nghiên cứu do Đại học Northwestern dẫn đầu đã phát triển một loại pin nhiên liệu mới thu năng lượng từ vi khuẩn sống trong đất.

Với kích thước bằng một cuốn sách giấy thông thường, công nghệ dựa trên đất có thể cung cấp năng lượng cho các cảm biến dưới lòng đất được sử dụng trong nông nghiệp chính xác và cơ sở hạ tầng xanh. Điều này có khả năng cung cấp một giải pháp thay thế bền vững, có thể tái tạo cho pin vốn chứa các hóa chất độc hại và dễ cháy thấm vào lòng đất, gây ra nhiều xung đột trong chuỗi cung ứng và góp phần làm gia tăng vấn đề rác thải điện tử.

Để thử nghiệm pin nhiên liệu mới, các nhà nghiên cứu đã sử dụng nó để cung cấp năng lượng cho các cảm biến đo độ ẩm của đất và phát hiện cảm giác chạm, một khả năng có thể có giá trị để theo dõi động vật đi ngang qua. Để cho phép liên lạc không dây, các nhà nghiên cứu cũng trang bị cho cảm biến đặt trên mặt đất một ăng-ten nhỏ để truyền dữ liệu đến trạm gốc gần đó bằng cách phản xạ các tín hiệu tần số vô tuyến hiện có.

Pin nhiên liệu không chỉ hoạt động trong điều kiện ẩm ướt và khô ráo mà sức mạnh của nó còn vượt xa các công nghệ tương tự tới 120%.

Nghiên cứu sẽ được công bố hôm nay (12 tháng 1) trong Kỷ yếu của Hiệp hội Máy tính về Công nghệ Tương tác, Di động, Thiết bị đeo và Phổ biến. Các tác giả nghiên cứu cũng công khai tất cả các thiết kế, hướng dẫn và công cụ mô phỏng để những người khác có thể sử dụng và xây dựng dựa trên nghiên cứu.

Bill Yen, sinh viên tốt nghiệp Đại học Northwestern, người đứng đầu công trình, cho biết: “Số lượng thiết bị được kết nối với Internet of Things (IoT) không ngừng tăng lên. “Nếu chúng ta tưởng tượng một tương lai với hàng nghìn tỷ thiết bị này, chúng ta sẽ không thể chế tạo từng thiết bị bằng cách sử dụng lithium, kim loại nặng và chất độc gây nguy hiểm cho môi trường. Chúng ta cần tìm giải pháp thay thế có thể cung cấp lượng khí thải thấp.” năng lượng để cung cấp năng lượng cho một mạng lưới thiết bị phi tập trung. Trong quá trình tìm kiếm giải pháp, chúng tôi đã xem xét các pin nhiên liệu vi sinh vật trong đất, sử dụng các vi khuẩn đặc biệt để phân hủy đất và sử dụng lượng năng lượng thấp đó để cung cấp năng lượng cho các cảm biến. Miễn là có cacbon hữu cơ trong đất để vi khuẩn bị phân hủy, pin nhiên liệu có thể tồn tại mãi mãi.

Bill Yen, tác giả chính của nghiên cứu, đã chôn pin nhiên liệu trong quá trình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm tại Đại học Northwestern. Nguồn: Đại học Tây Bắc

George Wells của Đại học Northwestern, tác giả cấp cao của nghiên cứu cho biết: “Những vi khuẩn này có ở khắp mọi nơi. Chúng thực sự sống trong đất ở khắp mọi nơi. “Chúng ta có thể sử dụng các hệ thống kỹ thuật rất đơn giản để tạo ra điện. Chúng tôi sẽ không cung cấp năng lượng này cho toàn bộ thành phố. Nhưng chúng ta có thể thu được lượng năng lượng rất nhỏ để cung cấp năng lượng cho các ứng dụng thực tế, tiêu thụ ít năng lượng.

Wells là phó giáo sư về kỹ thuật dân dụng và môi trường tại Trường Kỹ thuật McCormick của Northwestern. Bây giờ là tiến sĩ. Yin, một sinh viên tại Đại học Stanford, bắt đầu dự án này khi anh còn là nhà nghiên cứu đại học trong phòng thí nghiệm của Wells.

Giải pháp cho công việc bẩn thỉu

Trong những năm gần đây, nông dân trên khắp thế giới ngày càng áp dụng nông nghiệp chính xác như một chiến lược để cải thiện năng suất cây trồng. Phương pháp tiếp cận dựa trên công nghệ dựa vào việc đo lường chính xác mức độ ẩm, chất dinh dưỡng và chất ô nhiễm trong đất để đưa ra quyết định thúc đẩy sức khỏe cây trồng. Điều này đòi hỏi một mạng lưới thiết bị điện tử rộng lớn và phân tán để liên tục thu thập dữ liệu môi trường.

Yến cho biết: “Nếu bạn muốn đặt một cảm biến ở nơi hoang dã, trong trang trại hoặc ở vùng đất ngập nước, bạn bị hạn chế ở việc lắp pin vào đó hoặc thu năng lượng mặt trời. “Các tấm pin mặt trời không hoạt động tốt trong môi trường bẩn vì bị bám đầy bụi bẩn, không hoạt động khi không có mặt trời và chiếm nhiều diện tích. Pin cũng là một thách thức vì hết điện. Nông dân sẽ không đi lại quanh một trang trại rộng 100 mẫu Anh để thường xuyên thay pin hoặc lau bụi các tấm năng lượng mặt trời.

Để vượt qua những thách thức này, Wells, Wayne và các cộng tác viên của họ tự hỏi liệu họ có thể thu hoạch năng lượng từ môi trường hiện tại hay không. Yến cho biết: “Dù sao thì chúng tôi cũng có thể thu hoạch năng lượng từ đất mà nông dân đang theo dõi.

'Những nỗ lực thất vọng'

Ra mắt lần đầu tiên vào năm 1911, pin nhiên liệu vi sinh vật trong đất (MFC) hoạt động giống như một cục pin – với cực dương, cực âm và chất điện phân. Nhưng thay vì sử dụng hóa chất để tạo ra điện, MFC thu điện từ vi khuẩn cung cấp điện tử một cách tự nhiên cho các dây dẫn gần đó. Khi các electron này di chuyển từ cực dương sang cực âm, chúng tạo thành một mạch điện.

Pin nhiên liệu được bao phủ bởi bụi bẩn sau khi được khai thác khỏi mặt đất để nghiên cứu. Nguồn: Bill Yen/Đại học Tây Bắc

Nhưng để pin nhiên liệu vi sinh vật hoạt động không bị gián đoạn, chúng cần được giữ ẩm và cung cấp oxy, điều này rất khó khăn khi chúng bị chôn vùi dưới đất khô.

Yin cho biết: “Mặc dù MSC đã tồn tại như một khái niệm trong hơn một thế kỷ, nhưng hiệu suất không đáng tin cậy và năng lực sản xuất thấp của chúng đã cản trở những nỗ lực sử dụng chúng trong thực tế, đặc biệt là trong điều kiện độ ẩm thấp”.

Kỹ thuật chiến thắng

Với những thách thức này, Yin và nhóm của ông đã bắt đầu hành trình kéo dài hai năm để phát triển tế bào MFC dựa trên đất thực tế và đáng tin cậy. Hành trình của anh bao gồm việc tạo ra – và so sánh – bốn phiên bản khác nhau. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu thu thập dữ liệu trong chín tháng về hiệu suất của từng thiết kế. Sau đó, họ đã thử nghiệm phiên bản cuối cùng của mình ở một công viên ngoài trời.

Nguyên mẫu hoạt động tốt nhất hoạt động tốt trong điều kiện khô ráo cũng như trong môi trường ngập nước. Bí mật đằng sau sự thành công của nó: kỹ thuật của nó. Thay vì sử dụng thiết kế truyền thống, trong đó cực dương và cực âm song song với nhau, pin nhiên liệu chiến thắng đã sử dụng thiết kế trực giao.

Được làm bằng nỉ carbon (một chất dẫn sẵn có và rẻ tiền để thu giữ các electron của vi khuẩn), cực dương nằm ngang với mặt đất. Cực âm bao gồm một kim loại trơ, dẫn điện và được đặt thẳng đứng phía trên cực dương.

Mặc dù toàn bộ thiết bị được chôn dưới đất nhưng thiết kế thẳng đứng đảm bảo phần trên ngang bằng với mặt đất. Phía trên thiết bị có một lớp vỏ in 3D để ngăn các mảnh vụn rơi vào bên trong. Lỗ ở phía trên và buồng khí trống chạy cạnh cực âm cho phép luồng không khí luân chuyển liên tục.

Đầu dưới của cực âm vẫn nằm sâu bên dưới bề mặt, đảm bảo nó vẫn giữ được độ ẩm từ đất ướt xung quanh, ngay cả khi lớp đất mặt khô dưới ánh sáng mặt trời. Các nhà nghiên cứu cũng phủ một phần cực âm bằng vật liệu chống thấm để cho phép nó thở khi ngập nước. Sau một trận lũ lụt tiềm tàng, thiết kế thẳng đứng giúp cực âm khô dần dần thay vì tất cả cùng một lúc.

Trung bình, pin nhiên liệu tạo ra lượng điện năng gấp 68 lần mức cần thiết để vận hành các cảm biến của nó. Nó cũng đủ chắc chắn để chịu được những thay đổi lớn về độ ẩm của đất – từ hơi khô (41% nước theo thể tích) đến hoàn toàn dưới nước.

Làm cho máy tính có thể tiếp cận được với mọi người

Các nhà nghiên cứu cho biết tất cả các thành phần của MFC làm từ đất có thể được mua tại một cửa hàng phần cứng địa phương. Tiếp theo, họ có kế hoạch phát triển MFC làm từ đất làm bằng vật liệu hoàn toàn có khả năng phân hủy sinh học. Cả hai thiết kế đều bỏ qua chuỗi cung ứng phức tạp và tránh sử dụng các khoáng sản xung đột.

“Với COVID-19 Đồng tác giả nghiên cứu Josiah Hester, cựu giảng viên tại Đại học Northwestern, hiện đang làm việc tại Viện Công nghệ Georgia, cho biết: “Tất cả chúng ta đều đã quen với việc cuộc khủng hoảng đã làm gián đoạn chuỗi cung ứng điện tử toàn cầu như thế nào”. “Chúng tôi muốn chế tạo các thiết bị sử dụng chuỗi cung ứng địa phương và vật liệu chi phí thấp để mọi cộng đồng đều có thể tiếp cận máy tính.”

Tham khảo: “Máy tính chạy bằng đất” của Bill Yen, Laura Gleave, Luis Gutierrez, Veluthi Sahinidis, Sadie Bernstein, John Madden, Steven Taylor, Colin Josephson, Pat Panuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora và Josiah Hester, tháng 1 11 . 2024, Kỷ yếu của ACM về Công nghệ tương tác, Di động, Thiết bị đeo và Phổ biến.
doi: 10.1145/3631410

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia (Giải thưởng số CNS-2038853), Sáng kiến ​​Nghiên cứu Nông nghiệp và Thực phẩm (Giải thưởng số 2023-67021-40628) của Viện Thực phẩm và Nông nghiệp Quốc gia USDA, Quỹ Alfred P. Sloan , Nghiên cứu VMware và 3M.