Cientistas desenvolvem célula de combustível movida a terra que pode substituir baterias

Essa nova tecnologia transforma os micróbios do solo em uma fonte de energia estável para sensores inteligentes.

Por Universidade Northwestern com informações de Science Daily.

Pesquisadores liderados pela Universidade Northwestern desenvolveram uma célula de combustível que gera eletricidade usando micróbios encontrados naturalmente no solo. O dispositivo, aproximadamente do tamanho de um livro de bolso, produz pequenas quantidades de energia capturando a energia liberada quando esses microrganismos decompõem a matéria orgânica na terra.

Este sistema alimentado pelo solo foi projetado para alimentar sensores subterrâneos usados ​​na agricultura de precisão e no monitoramento ambiental. Ele oferece uma alternativa potencial às baterias tradicionais, que contêm materiais tóxicos e inflamáveis, dependem de cadeias de suprimentos globais complexas e contribuem para o crescente lixo eletrônico.

Alimentando sensores sem baterias

Para demonstrar suas capacidades, a equipe utilizou a célula de combustível para operar sensores que medem a umidade do solo e detectam o toque. Essa capacidade de detecção de toque pode auxiliar no monitoramento do movimento da vida selvagem, como animais que atravessam um campo. O sistema também inclui uma pequena antena que envia dados sem fio, refletindo sinais de radiofrequência existentes, o que mantém o consumo de energia extremamente baixo.

O dispositivo demonstrou ser confiável em uma ampla gama de condições. Funcionou tanto em solo seco quanto em ambientes alagados e produziu energia mais sustentada do que sistemas similares, durando cerca de 120% mais.

O estudo foi publicado nos Anais da Association for Computing Machinery sobre Tecnologias Interativas, Móveis, Vestíveis e Ubíquas. Os pesquisadores também disponibilizaram seus projetos, tutoriais e ferramentas de simulação publicamente para que outros possam se basear no trabalho.

Por que os micróbios do solo são importantes para a Internet das Coisas

“O número de dispositivos na Internet das Coisas (IoT) está em constante crescimento”, disse Bill Yen, ex-aluno da Northwestern e líder do projeto. “Se imaginarmos um futuro com trilhões desses dispositivos, não podemos construir cada um deles com lítio, metais pesados ​​e toxinas perigosas para o meio ambiente. Precisamos encontrar alternativas que forneçam pequenas quantidades de energia para alimentar uma rede descentralizada de dispositivos. Na busca por soluções, nos voltamos para as células de combustível microbianas do solo, que utilizam microrganismos especiais para decompor o solo e usar essa pequena quantidade de energia para alimentar sensores. Enquanto houver carbono orgânico no solo para os microrganismos decomporem, a célula de combustível pode potencialmente durar para sempre.”

As células de combustível microbianas, frequentemente chamadas de MFCs, funcionam de forma semelhante a uma bateria. Elas incluem um ânodo, um cátodo e um eletrólito, mas, em vez de reações químicas, dependem de bactérias que liberam elétrons naturalmente. Quando esses elétrons se movem pelo sistema, criam uma corrente elétrica.

“Esses micróbios são onipresentes; eles já vivem no solo em todos os lugares”, disse George Wells, da Northwestern, um dos autores principais do estudo. “Podemos usar sistemas de engenharia muito simples para capturar a eletricidade que eles produzem. Não vamos abastecer cidades inteiras com essa energia. Mas podemos capturar quantidades mínimas de energia para alimentar aplicações práticas de baixo consumo.”

Desafios com sensores alimentados por energia solar e por bateria

A agricultura de precisão depende de grandes redes de sensores que monitoram continuamente as condições do solo, como umidade, nutrientes e contaminantes. Esses dados ajudam os agricultores a tomar decisões mais informadas e a melhorar a produtividade das colheitas.

Mas alimentar esses sensores é um grande desafio. As baterias acabam se esgotando e precisam ser substituídas, o que é impraticável em grandes fazendas. Os painéis solares também podem ser pouco confiáveis, pois ficam sujos, precisam de luz solar e ocupam espaço.

“Se você quiser instalar um sensor na natureza, em uma fazenda ou em um pântano, suas opções se limitam a usar uma bateria ou a captar energia solar”, disse Yen. “Painéis solares não funcionam bem em ambientes sujos porque ficam cobertos de terra, não funcionam quando não há sol e ocupam muito espaço. As baterias também são problemáticas porque se esgotam. Os agricultores não vão percorrer uma fazenda de 40 hectares para trocar baterias ou limpar painéis solares regularmente.”

Em vez disso, os pesquisadores se concentraram em extrair energia diretamente do próprio solo, transformando o ambiente em fonte de energia.

Por que as células de combustível microbianas anteriores não atingiram o sucesso esperado?

As células de combustível microbianas baseadas no solo existem desde 1911, mas têm tido dificuldades em apresentar um desempenho consistente. Esses sistemas precisam de umidade e oxigênio para funcionar corretamente, o que pode ser difícil de manter no subsolo, especialmente em condições secas.

“Embora as MFCs (células de combustível microbianas) existam como conceito há mais de um século, seu desempenho pouco confiável e baixa potência de saída têm dificultado os esforços para torná-las utilizáveis ​​na prática, especialmente em condições de baixa umidade”, disse Yen.

Um novo design melhora o desempenho.

Para solucionar esses problemas, a equipe passou dois anos desenvolvendo e testando diferentes projetos. Eles compararam quatro versões e coletaram nove meses de dados de desempenho antes de selecionar um protótipo final, que foi testado em ambiente externo.

A inovação surgiu de uma mudança na geometria. Em vez de posicionar o ânodo e o cátodo paralelamente, o novo projeto os posiciona perpendicularmente.

O ânodo, feito de feltro de carbono (um condutor barato e abundante para capturar os elétrons dos micróbios), fica na horizontal sob o solo. O cátodo, feito de um metal condutor, estende-se verticalmente até a superfície.

Essa estrutura ajuda a resolver vários problemas simultaneamente. A parte superior do dispositivo permanece exposta ao ar, garantindo um suprimento constante de oxigênio. Ao mesmo tempo, a parte inferior permanece enterrada em solo úmido, mantendo a hidratação mesmo em condições de seca. Uma tampa protetora impede a entrada de detritos, enquanto uma pequena câmara de ar permite a circulação do ar.

O design também melhora a resistência durante inundações. Um revestimento impermeável permite que o cátodo continue funcionando, e o formato vertical ajuda na secagem gradual após o recuo da água.

Resultados expressivos em condições reais.

O protótipo final apresentou bom desempenho em uma ampla gama de condições de solo, desde solos moderadamente secos (41% de água em volume) até ambientes totalmente submersos. Em média, gerou 68 vezes mais energia do que a necessária para o funcionamento de seus sensores.

Esses resultados sugerem que o sistema é robusto o suficiente para ser implantado em situações reais, como em campos agrícolas ou ambientes naturais.

Pesquisa em andamento e potencial futuro

Desde a publicação inicial do estudo, o interesse em células de combustível microbianas tem crescido continuamente. Os pesquisadores estão trabalhando para aprimorar a eficiência, a estabilidade e os materiais, incluindo a exploração de designs biodegradáveis ​​que poderiam reduzir ainda mais o impacto ambiental.

A equipe da Northwestern observa que todas as partes do seu sistema podem ser obtidas a partir de materiais comuns de hardware. Agora, eles pretendem criar versões totalmente biodegradáveis ​​que evitem cadeias de suprimentos complexas e minerais de conflito.

“Com a pandemia da COVID-19, todos nos familiarizamos com a forma como uma crise pode interromper a cadeia de suprimentos global de eletrônicos”, disse o coautor do estudo, Josiah Hester, ex-professor da Northwestern e atualmente no Instituto de Tecnologia da Geórgia. “Queremos construir dispositivos que utilizem cadeias de suprimentos locais e materiais de baixo custo para que a computação seja acessível a todas as comunidades.”

Embora a tecnologia não seja destinada a alimentar grandes sistemas, ela pode desempenhar um papel importante no suporte a dispositivos de baixo consumo de energia em áreas como agricultura, monitoramento ambiental e a crescente Internet das Coisas.

Pontos-chave

• Cientistas criaram uma nova célula de combustível que utiliza micróbios naturais do solo para gerar eletricidade.
• O sistema pode alimentar sensores subterrâneos que monitoram a umidade do solo e até detectam movimento ou toque.
• Continua a funcionar numa ampla gama de condições, desde solos secos a ambientes totalmente inundados.
• Essa tecnologia poderia oferecer uma alternativa mais limpa às baterias para sensores usados ​​na agricultura de precisão.

O estudo, intitulado “Computação alimentada por solo: O guia do engenheiro para o projeto prático de células de combustível microbianas do solo”, foi financiado pela Fundação Nacional de Ciência (número do prêmio CNS-2038853), pela Iniciativa de Pesquisa Agrícola e Alimentar (número do prêmio 2023-67021-40628) do Instituto Nacional de Alimentação e Agricultura do USDA, pela Fundação Alfred P. Sloan, pela VMware Research e pela 3M.

Fonte da história:
Materiais fornecidos pela Northwestern University . Observação: o conteúdo pode ser editado para adequação ao estilo e tamanho.

Referência do periódico :
Bill Yen, Laura Jaliff, Louis Gutierrez, Philothei Sahinidis, Sadie Bernstein, John Madden, Stephen Taylor, Colleen Josephson, Pat Pannuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora, Josiah Hester. Soil-Powered Computing. Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies, 2024; 7 (4): 1 DOI: 10.1145/3631410

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