Bilim insanları sonsuza kadar çalışan, toprakla çalışan yeni bir yakıt hücresi geliştirdi

Northwestern Üniversitesi liderliğindeki bir araştırma ekibi, toprakta yaşayan mikroplardan enerji toplayan yeni bir yakıt hücresi geliştirdi.

Normal bir kağıt kitap boyutunda olan toprak bazlı teknoloji, hassas tarım ve yeşil altyapıda kullanılan yer altı sensörlerine güç sağlayabilir. Bu potansiyel olarak, toprağa sızan zehirli ve yanıcı kimyasallar içeren, çatışmalarla dolu tedarik zincirleriyle dolu olan ve sürekli büyüyen e-atık sorununa katkıda bulunan pillere sürdürülebilir, yenilenebilir bir alternatif sunuyor.

Yeni yakıt hücresini test etmek için araştırmacılar, onu toprak nemini ölçen ve dokunmayı algılayan sensörlere güç vermek için kullandılar; bu, geçen hayvanları takip etmek için değerli olabilecek bir yetenek. Kablosuz iletişimi mümkün kılmak için araştırmacılar, toprak bazlı sensörü, mevcut radyo frekansı sinyallerini yansıtarak yakındaki bir baz istasyonuna veri iletmek için küçük bir antenle de donattı.

Yakıt hücresi sadece ıslak ve kuru koşullarda performans göstermekle kalmadı, aynı zamanda gücü de benzer teknolojileri %120 oranında aştı.

Araştırma bugün (12 Ocak) İnteraktif, Mobil, Giyilebilir ve Ubiquitous Teknolojileri Konusunda Bilgisayar Makineleri Derneği'nin Bildirileri'nde yayınlanacak. Çalışmanın yazarları ayrıca tüm tasarımları, eğitimleri ve simülasyon araçlarını kamuya açık hale getirir, böylece diğerleri araştırmayı kullanabilir ve geliştirebilirler.

Çalışmayı yöneten Northwestern Üniversitesi yüksek lisans öğrencisi Bill Yen, “Nesnelerin İnterneti'ne (IoT) bağlı cihazların sayısı sürekli artıyor” dedi. “Bu cihazların trilyonlarca olacağı bir gelecek hayal edersek, bunların her birini lityum, ağır metaller ve çevre için risk oluşturan toksinler kullanarak inşa edemeyiz. Düşük miktarlarda enerji sağlayabilecek alternatifler bulmamız gerekiyor. merkezi olmayan bir cihaz ağına güç sağlamak için enerji. Çözüm arayışımızda, toprağı parçalamak için özel mikroplar kullanan ve bu düşük miktardaki enerjiyi sensörlere güç sağlamak için kullanan toprak mikrobiyal yakıt hücrelerine baktık. Organik karbon olduğu sürece Mikropların parçalanması için toprakta yakıt hücresi potansiyel olarak sonsuza kadar kalabilir.

Araştırmanın başyazarı Bill Yen, Northwestern Üniversitesi'ndeki laboratuvarda yapılan testler sırasında yakıt hücresini gömdü. Kredi bilgileri: Kuzeybatı Üniversitesi

Araştırmanın kıdemli yazarlarından Northwestern Üniversitesi'nden George Wells, “Bu mikroplar her yerde. Aslında her yerde toprakta yaşıyorlar” dedi ve şöyle devam etti: “Elektrik elde etmek için çok basit mühendislik sistemlerini kullanabiliriz. Şehirlerin tamamına bu enerjiyi sağlamayacağız. Ancak pratik, düşük güçlü uygulamalara güç sağlamak için çok küçük miktarlarda enerji yakalayabiliriz.

Wells, Northwestern McCormick Mühendislik Okulu'nda inşaat ve çevre mühendisliği alanında doçenttir. Şimdi doktora derecesi var. Stanford Üniversitesi öğrencisi Yin, bu projeye Wells'in laboratuvarında lisans araştırmacısı iken başladı.

Kirli bir işe çözüm

Son yıllarda dünyanın dört bir yanındaki çiftçiler, mahsul verimini artırmaya yönelik bir strateji olarak hassas tarımı giderek daha fazla benimsiyor. Teknolojiye dayalı yaklaşım, mahsul sağlığını geliştirecek kararlar almak için topraktaki nem, besin maddeleri ve kirletici maddelerin hassas seviyelerinin ölçülmesine dayanır. Bu, çevresel verileri sürekli olarak toplamak için geniş ve dağınık bir elektronik cihaz ağı gerektirir.

Yen, “Vahşi doğaya, çiftliğe veya sulak alana bir sensör koymak istiyorsanız, içine bir pil koymak veya güneş enerjisi toplamakla sınırlısınız” dedi. “Güneş panelleri kirli ortamlarda iyi çalışmıyor çünkü üzeri kirle kaplı, güneş olmadığında çalışmıyor ve çok fazla yer kaplıyor. Piller de bittiği için sorun yaratıyor. Çiftçiler 100 dönümlük bir çiftlikte düzenli olarak pilleri değiştirerek veya güneş panellerinin tozunu alarak dolaşmayacaklar.

Bu zorlukların üstesinden gelmek için Wells, Wayne ve işbirlikçileri bunun yerine mevcut çevreden enerji toplayıp toplayamayacaklarını merak ettiler. Yen, “Çiftçilerin izlediği topraktan enerji toplayabiliyoruz” dedi.

'Bıkkın çabalar'

İlk kez 1911 yılında toprak bazlı mikrobiyal yakıt hücreleri (MFC'ler) anot, katot ve elektrolit ile bir pil gibi çalışır. Ancak elektrik üretmek için kimyasallar kullanmak yerine MFC'ler, doğal olarak yakındaki iletkenlere elektron bağışlayan bakterilerden elektrik topluyor. Bu elektronlar anottan katoda doğru aktığında bir elektrik devresi oluştururlar.

Yakıt hücresi, çalışmalar için yerden çıkarıldıktan sonra kirle kaplanıyor. Kredi bilgileri: Bill Yen/Kuzeybatı Üniversitesi

Ancak mikrobiyal yakıt hücrelerinin kesintisiz çalışabilmesi için nemli kalmaları ve oksijenle beslenmeleri gerekiyor ki bu da yeraltında kuru toprağa gömüldüklerinde zor oluyor.

Yin, “MSC'ler bir yüzyıldan fazla bir süredir bir kavram olarak ortalıkta olmasına rağmen, güvenilmez performansları ve düşük üretim kapasiteleri, özellikle düşük nemli koşullarda bunların pratik kullanımına yönelik çabaları boşa çıkardı” dedi.

Kazanan mühendislik

Bu zorlukları göz önünde bulundurarak Yin ve ekibi, pratik ve güvenilir bir toprak bazlı MFC hücresi geliştirmek için iki yıllık bir yolculuğa çıktı. Yolculuğu dört farklı versiyonu yaratmayı ve karşılaştırmayı içeriyordu. İlk olarak araştırmacılar her tasarımın performansına ilişkin dokuz aylık veri topladılar. Daha sonra son versiyonlarını açık hava parkında test ettiler.

En iyi performans gösteren prototip, hem kuru hem de su altı ortamda iyi performans gösterdi. Başarısının sırrı: mühendisliği. Kazanan yakıt hücresi, anot ve katodun birbirine paralel olduğu geleneksel tasarımı kullanmak yerine ortogonal bir tasarımdan yararlandı.

Karbon keçeden (mikrop elektronlarını yakalamak için kolayca bulunabilen ve ucuz bir iletken) yapılmış olan anot, yere yataydır. Katot, inert, iletken bir metalden oluşur ve anodun üzerine dikey olarak yerleştirilir.

Cihazın tamamı gömülü olmasına rağmen dikey tasarım, üst ucun zemin yüzeyiyle aynı hizada olmasını sağlar. Cihazın üst kısmında, içeriye döküntü düşmesini önlemek için 3D baskılı kapak bulunmaktadır. Üstteki delik ve katodun yanında uzanan boş hava odası, sürekli bir hava akışına olanak sağlar.

Katodun alt ucu yüzeyin derinliklerinde konumlandırılmış olarak kalır ve üst toprak güneş ışığında kuruduğunda bile çevredeki ıslak topraktan nemli kalmasını sağlar. Araştırmacılar ayrıca su baskını sırasında nefes almasını sağlamak için katodun bir kısmını su geçirmez bir malzemeyle kapladılar. Potansiyel bir su baskını sonrasında dikey tasarım, katodun bir anda kuruması yerine kademeli olarak kurumasını sağlar.

Sonuçta ortaya çıkan yakıt hücresi, sensörlerini çalıştırmak için gerekenden ortalama 68 kat daha fazla güç üretti. Aynı zamanda, biraz kurudan (hacimce %41 su) tamamen suya kadar toprak nemindeki büyük değişikliklere dayanacak kadar sağlamdı.

Bilgisayarı herkes için erişilebilir kılmak

Araştırmacılar, toprak bazlı MFC'nin tüm bileşenlerinin yerel bir hırdavatçıdan satın alınabileceğini söylüyor. Daha sonra, tamamen biyolojik olarak parçalanabilen malzemelerden yapılmış, toprak bazlı bir MFC geliştirmeyi planlıyorlar. Her iki tasarım da karmaşık tedarik zincirlerini atlıyor ve çatışma minerallerinin kullanımını önlüyor.

“İle COVID-19 Northwestern Üniversitesi'nde eski bir öğretim üyesi olan ve şu anda Georgia Teknoloji Enstitüsü'nde çalışan çalışmanın ortak yazarı Josiah Hester, “Hepimiz bir krizin küresel elektronik tedarik zincirini nasıl bozabileceğinin farkına vardık” dedi. “Bilgisayarın tüm topluluklar tarafından erişilebilir olması için yerel tedarik zincirlerini ve düşük maliyetli malzemeleri kullanan cihazlar oluşturmak istiyoruz.”

Referans: “Soil-Powered Computing” Yazan: Bill Yen, Laura Gleave, Luis Gutierrez, Veluthi Sahinidis, Sadie Bernstein, John Madden, Steven Taylor, Colin Josephson, Pat Panuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora ve Josiah Hester, Ocak 11. 2024, ACM'nin İnteraktif, Mobil, Giyilebilir ve Her Yerde Bulunan Teknolojilere İlişkin Bildirileri.
doi: 10.1145/3631410

Çalışma, Ulusal Bilim Vakfı (Ödül No. CNS-2038853), USDA Ulusal Gıda ve Tarım Enstitüsü Tarım ve Gıda Araştırma Girişimi (Ödül No. 2023-67021-40628), Alfred P. Sloan Vakfı tarafından desteklenmiştir. ve VMware. Araştırma ve 3M.