Una nuova tecnologia per ricavare energia dai microbi del suolo

Una nuova tecnologia ricava energia dai microbi del suolo per alimentare sensori e sistemi di comunicazione.

• Una nuova cella a combustibile sfrutta i microbi presenti in natura per generare elettricità
• Sensori alimentati dal suolo per monitorare con successo l’umidità del terreno e rilevare il tatto
• La nuova tecnologia è abbastanza affidabile da resistere a condizioni di terreno più secche e alle inondazioni
• La cella a combustibile potrebbe sostituire le batterie nei sensori utilizzati per l’agricoltura di precisione

Un gruppo di ricercatori della Northwestern University ha sviluppato una nuova cella a combustibile che ricava energia dai microbi che vivono nella terra.

Grande quanto un normale libro in brossura, questa tecnologia completamente incentrata sul suolo potrebbe alimentare i sensori sotterranei utilizzati nell’agricoltura di precisione e nelle infrastrutture verdi. Questa tecnologia potenzialmente potrebbe offrire un’alternativa sostenibile e rinnovabile alle batterie, che contengono sostanze chimiche tossiche e infiammabili che si infiltrano nel terreno, sono soggette a catene di approvvigionamento costellate di problemi e contribuiscono al crescente fenomeno dei rifiuti elettronici.

Per testare la nuova cella a combustibile, i ricercatori l’hanno utilizzata per alimentare sensori che misurano l’umidità del suolo e rilevano il tatto, una funzionalità che potrebbe essere preziosa per seguire gli animali di passaggio. Per consentire le comunicazioni wireless, i ricercatori hanno anche dotato il sensore di una minuscola antenna per trasmettere i dati a una stazione base vicina riflettendo i segnali di radiofrequenza esistenti.

Non solo la cella a combustibile ha funzionato sia in condizioni di umidità che di asciutto, ma la sua potenza ha anche superato quella di tecnologie simili del 120%.

La ricerca è stata pubblicata il 12 gennaio. Gli autori dello studio stanno inoltre rendendo pubblici tutti i progetti, i tutorial e gli strumenti di simulazione, in modo che altri possano utilizzare e sviluppare la ricerca.

“Il numero di dispositivi dell’Internet delle cose (IoT) è in costante crescita”, ha dichiarato Bill Yen, ex allievo della Northwestern, che ha guidato il lavoro. “Se immaginiamo un futuro con trilioni di questi dispositivi, non possiamo costruire ognuno di essi con litio, metalli pesanti e tossine pericolose per l’ambiente. Dobbiamo trovare alternative in grado di fornire basse quantità di energia per alimentare una rete decentralizzata di dispositivi. Nella ricerca di soluzioni, ci siamo rivolti alle celle a combustibile microbiche del suolo, che utilizzano speciali microbi per decomporre il suolo e utilizzare questa bassa quantità di energia per alimentare i sensori. Finché nel terreno c’è carbonio organico che i microbi possono scomporre, la cella a combustibile può potenzialmente durare per sempre“.

“Questi microbi sono onnipresenti, vivono già nel suolo ovunque”, ha dichiarato George Wells della Northwestern, autore senior dello studio. “Possiamo usare sistemi ingegneristici molto semplici per catturare la loro elettricità. Non riusciremo ad alimentare intere città con questa energia. Ma possiamo catturare quantità minime di energia per alimentare applicazioni pratiche a bassa potenza”.

Soluzioni per un lavoro sporco

Negli ultimi anni, gli agricoltori di tutto il mondo hanno adottato sempre più spesso l‘agricoltura di precisione come strategia per migliorare la resa dei raccolti. Questo approccio tecnologico si basa sulla misurazione di livelli precisi di umidità, nutrienti e contaminanti nel suolo per prendere decisioni che migliorino la salute delle colture. Ciò richiede una rete diffusa e frammentata di dispositivi elettronici per la raccolta continua di dati ambientali.

“Se si vuole mettere un sensore in natura, in una fattoria o in una zona umida, si è costretti a metterci una batteria o a sfruttare l’energia solare”, ha detto Yen. “I pannelli solari non funzionano bene in ambienti difficili perché si ricoprono di sporcizia, non funzionano quando non c’è il sole e occupano molto spazio. Anche le batterie sono un problema perché si esauriscono. Gli agricoltori non hanno intenzione di andare in giro per un’azienda agricola di 100 acri per sostituire regolarmente le batterie o spolverare i pannelli solari”.

Per superare queste sfide, Wells, Yen e i loro collaboratori si sono chiesti se fosse possibile raccogliere energia dall’ambiente esistente. “Potremmo raccogliere energia dal terreno che gli agricoltori stanno comunque monitorando”, ha detto Yen.

Sforzi frenati

Comparse per la prima volta nel 1911, le celle a combustibile microbiche (MFC) basate sul suolo funzionano come una batteria, con un anodo, un catodo e un elettrolita. Ma invece di utilizzare sostanze chimiche per generare elettricità, le MFC raccolgono elettricità dai batteri che donano naturalmente elettroni ai conduttori vicini. Quando questi elettroni passano dall’anodo al catodo, si crea un circuito elettrico.

Ma per funzionare senza interruzioni, le celle a combustibile microbiche devono rimanere idratate e ossigenate, il che è difficile quando vengono interrate in un terreno secco.

“Sebbene le MFC esistano come concetto da più di un secolo, le loro prestazioni inaffidabili e la bassa potenza di uscita hanno ostacolato gli sforzi per farne un uso pratico, soprattutto in condizioni di bassa umidità”, ha detto Yen.

Geometria vincente

Con queste sfide in mente, Yen e il suo team hanno intrapreso un percorso di due anni per sviluppare una MFC pratica e affidabile basata sul suolo. La ricerca ha previsto la creazione e il confronto di quattro versioni diverse. In primo luogo, i ricercatori hanno raccolto nove mesi di dati complessivi sulle prestazioni di ciascun progetto. Poi hanno testato la versione finale in un giardino all’aperto.

Il prototipo più performante ha funzionato bene sia in condizioni di asciutto che in un ambiente intriso d’acqua. Il segreto del suo successo: La sua geometria. Invece di utilizzare un design tradizionale, in cui l’anodo e il catodo sono paralleli tra loro, la cella a combustibile ha sfruttato un design perpendicolare.

Realizzato in feltro di carbonio (un conduttore economico e abbondante per catturare gli elettroni dei microbi), l’anodo è orizzontale rispetto alla superficie del terreno. Il catodo, realizzato con un metallo inerte e conduttivo, si trova in verticale sopra l’anodo.

Sebbene l’intero dispositivo sia interrato, il design verticale assicura che l’estremità superiore sia a filo con la superficie del terreno. Un tappo stampato in 3D poggia sulla parte superiore del dispositivo per evitare che i detriti cadano all’interno. Un foro sulla parte superiore e una camera d’aria vuota che corre accanto al catodo consentono un flusso d’aria costante.

L’estremità inferiore del catodo rimane annidata in profondità sotto la superficie, assicurando che rimanga idratata dal terreno umido circostante, anche quando il terreno superficiale si asciuga alla luce del sole. I ricercatori hanno anche rivestito una parte del catodo con materiale impermeabile per consentirgli di respirare durante un’alluvione. Inoltre, dopo un’eventuale inondazione, il design verticale consente al catodo di asciugarsi gradualmente anziché tutto in una volta.

In media, la cella a combustibile ottenuta ha generato una potenza 68 volte superiore a quella necessaria per far funzionare i sensori. Inoltre, è stata sufficientemente robusta da resistere a grandi variazioni di umidità del suolo, da leggermente asciutto (41% di acqua in volume) a completamente sommerso.

Rendere accessibile lo strumento informatico

I ricercatori affermano che tutti i componenti della loro MFC possono essere acquistati in un negozio di ferramenta locale. Successivamente, hanno in programma di sviluppare una MFC realizzata con materiali completamente biodegradabili. Entrambi i progetti consentono di aggirare le complicate catene di approvvigionamento e di evitare l’uso di minerali di di difficile reperimento.

“Con la pandemia COVID-19, tutti noi abbiamo imparato a conoscere come una crisi possa interrompere la catena di approvvigionamento globale dell’elettronica”, ha dichiarato il coautore dello studio Josiah Hester, ex membro della facoltà della Northwestern che ora lavora al Georgia Institute of Technology. “Vogliamo costruire dispositivi che utilizzino catene di approvvigionamento locali e materiali a basso costo, in modo che l’informatica sia accessibile a tutte le comunità”.

Contatti

• George Wells, Autore senior, Professore associato di ingegneria civile e ambientale: george.wells@northwestern.edu
• Bill Yen, Autore principale: billyen@stanford.edu

Fonte articolo: Dirt-powered fuel cell runs forever: For Journalists – Northwestern University

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