Pesquisadores liderados pela Northwestern University desenvolveram uma célula de combustível que pode gerar eletricidade a partir de microrganismos que ocorrem naturalmente no solo. O dispositivo, do tamanho aproximado de um livro de bolso, gera uma pequena quantidade de eletricidade ao capturar a energia liberada quando esses microrganismos decompõem a matéria orgânica da sujeira.
Este sistema movido a solo foi projetado para operar sensores subterrâneos usados em agricultura de precisão e monitoramento ambiental. Oferece uma alternativa potencial às baterias convencionais, que contêm materiais tóxicos e inflamáveis, dependem de cadeias de abastecimento globais complexas e contribuem para o aumento constante do lixo eletrónico.
Não são necessárias baterias para alimentar os sensores
Para demonstrar as suas capacidades, a equipa utilizou células de combustível para operar sensores que medem a humidade do solo e detectam o toque. Esta capacidade de detecção de toque poderia ajudar a monitorar o movimento da vida selvagem, como aqueles que se deslocam pelos campos. O sistema também inclui uma pequena antena que pode enviar dados sem fio, refletindo os sinais de radiofrequência existentes, resultando em um consumo de energia extremamente baixo.
O dispositivo provou ser confiável em diversas condições. Ele pode funcionar tanto em solo seco quanto em ambientes inundados e gera energia mais duradoura, durando aproximadamente 120% mais do que sistemas similares.
A pesquisa foi publicada em Anais da Conferência da Sociedade da Computação sobre Tecnologias Interativas, Móveis, Vestíveis e Onipresentes. Os pesquisadores também estão divulgando publicamente seus projetos, tutoriais e ferramentas de simulação para que outros possam desenvolver este trabalho.
Por que os micróbios do solo são importantes para a Internet das Coisas
“O número de dispositivos de Internet das Coisas (IoT) continua a crescer”, disse Bill Yen, ex-aluno da Northwestern University, que lidera o esforço. “Se imaginarmos um futuro com triliões destes dispositivos, não poderemos construir cada um deles com lítio, metais pesados e toxinas ambientalmente prejudiciais. Precisamos de encontrar alternativas que possam fornecer pequenas quantidades de energia para alimentar uma rede dispersa de dispositivos. Na procura de uma solução, procurámos células de combustível microbianas do solo, que utilizam microrganismos especiais para decompor o solo e utilizam pequenas quantidades de energia para alimentar sensores.
As células de combustível microbianas, muitas vezes chamadas de MFCs, funcionam um pouco como baterias. Eles incluem um ânodo, um cátodo e um eletrólito, mas em vez de depender de reações químicas, dependem de bactérias que liberam elétrons naturalmente. À medida que esses elétrons se movem pelo sistema, eles criam uma corrente elétrica.
“Esses micróbios estão por toda parte; eles já vivem no solo em todos os lugares”, disse o autor sênior do estudo, George Wells, da Northwestern University. “Podemos capturar eletricidade usando sistemas de engenharia muito simples. Não abasteceremos cidades inteiras com essa energia. Mas podemos capturar pequenas quantidades para abastecer aplicações práticas e de baixo consumo de energia.”
Desafios enfrentados por sensores solares e alimentados por bateria
A agricultura de precisão depende de grandes redes de sensores que rastreiam continuamente as condições do solo, como umidade, nutrientes e contaminantes. Esses dados ajudam os agricultores a tomar decisões mais informadas e a aumentar o rendimento das colheitas.
Mas alimentar esses sensores é um grande desafio. As baterias eventualmente se desgastam e precisam ser substituídas, o que é impraticável em grandes fazendas. Os painéis solares também podem não ser confiáveis porque ficam sujos, requerem luz solar e ocupam espaço.
“Se você quiser colocar um sensor no campo, em uma fazenda ou em um pântano, você só pode colocar baterias nele ou coletar energia solar”, disse Yen. “Os painéis solares não funcionam bem em ambientes sujos porque ficam cobertos de poeira, não funcionam quando não há sol e ocupam muito espaço. As baterias também são um desafio porque drenam energia. Os agricultores não vão a uma fazenda de 100 acres para substituir regularmente as baterias ou tirar a poeira dos painéis solares.”
Em vez disso, os investigadores estão a concentrar-se na recolha de energia diretamente do próprio solo, convertendo o ambiente em energia.
Por que as primeiras células de combustível microbianas ficaram aquém
As células de combustível microbianas do solo existem desde 1911, mas têm lutado para fornecer um desempenho consistente. Esses sistemas requerem umidade e oxigênio para funcionar adequadamente, o que pode ser difícil de manter no subsolo, especialmente em condições secas.
“Embora os MFCs já existam como conceito há mais de um século, seu desempenho pouco confiável e baixa potência de saída dificultaram suas aplicações práticas, especialmente sob condições de baixa umidade”, disse Yen.
Novo design melhora o desempenho
Para resolver esses problemas, a equipe passou dois anos desenvolvendo e testando diferentes designs. Eles compararam quatro versões e coletaram dados de desempenho durante nove meses antes de selecionar um protótipo final e testá-lo ao ar livre.
O avanço veio de uma mudança na geometria. Em vez de colocar o ânodo e o cátodo paralelos entre si, o novo design os coloca verticalmente.
O ânodo é feito de feltro de carbono (um condutor barato e abundante usado para capturar os elétrons dos micróbios) e fica horizontalmente abaixo do solo. O cátodo é feito de metal condutor e se estende verticalmente até a superfície.
Essa estrutura ajuda a resolver vários problemas simultaneamente. A parte superior do dispositivo permanece exposta ao ar, garantindo um fornecimento constante de oxigênio. Enquanto isso, a parte inferior fica enterrada em solo úmido, mantendo a hidratação mesmo em condições de seca. Uma capa protetora mantém os detritos afastados, enquanto uma pequena câmara de ar permite o fluxo de ar.
O design também melhora a resiliência durante inundações. O revestimento à prova d’água permite que o cátodo continue a funcionar, e o layout vertical ajuda-o a secar gradualmente após o recuo da água.
Resultados sólidos em condições reais
O protótipo final teve um bom desempenho em diversas condições de solo, desde solo moderadamente seco (41% de umidade por volume) até ambientes totalmente inundados. Em média, ele gera 68 vezes mais energia do que o necessário para operar o sensor.
Estes resultados demonstram que o sistema é robusto o suficiente para implantação prática em campos agrícolas ou ambientes naturais.
Pesquisa em andamento e potencial futuro
O interesse em células de combustível microbianas continuou a crescer desde que o estudo foi publicado pela primeira vez. Os investigadores estão a trabalhar para melhorar a eficiência, a estabilidade e os materiais, incluindo a exploração de designs biodegradáveis que possam reduzir ainda mais o impacto ambiental.
A equipe da Northwestern ressalta que todas as partes do seu sistema podem ser feitas de materiais de hardware comuns. Pretendem agora criar versões totalmente biodegradáveis para evitar cadeias de abastecimento complexas e minerais de conflito.
“Com a pandemia da COVID-19, estamos todos familiarizados com a forma como uma crise pode perturbar as cadeias globais de fornecimento de produtos eletrónicos”, disse o coautor do estudo Josiah Hester, ex-membro do corpo docente da Northwestern University e agora na Georgia Tech. “Esperamos construir dispositivos que utilizem cadeias de abastecimento locais e materiais de baixo custo para que a computação seja acessível a todas as comunidades.”
Embora a tecnologia não seja concebida para alimentar sistemas de grande escala, poderá desempenhar um papel importante no apoio a dispositivos de baixo consumo de energia, como a agricultura, a monitorização ambiental e a expansão da Internet das Coisas.
foco
- Cientistas criam nova célula de combustível que usa micróbios naturais do solo para gerar eletricidade
- O sistema poderia alimentar sensores subterrâneos que rastreiam a umidade do solo e até detectam movimento ou toque
- Pode continuar a funcionar em diversas condições, desde solo seco até ambientes completamente submersos
- Esta tecnologia poderia fornecer alternativas de bateria mais limpas para sensores usados na agricultura de precisão
A pesquisa, “Cálculos dinâmicos do solo: um guia do engenheiro para o projeto prático de células de combustível microbianas do solo”, foi apoiada pela National Science Foundation (Prêmio nº CNS-2038853), pelo Programa de Pesquisa Agrícola e Alimentar do Instituto Nacional de Alimentos e Agricultura do Departamento de Agricultura dos EUA (Prêmio nº 2023-67021-40628), pela Fundação Alfred P. Sloan, pela VMware Research e pela 3M Foundation, pela VMware Research e pela 3Man Foundation, VMware Research e 3M Foundation, VMware Research e 3M Foundation, VMware Research e 3M Foundation, VMware Research e 3M Foundation.
