Исследователи из Северо-Западного университета (США) создали инновационный топливный элемент, который генерирует электричество, используя микроорганизмы, естественным образом обитающие в почве. Устройство размером с книгу в мягкой обложке улавливает энергию, выделяемую микробами при разложении органики в грунте, и производит небольшое количество энергии. Наиболее эффективны в этом процессе экзоэлектрогенные бактерии, такие как геобактерии (Geobacter) и штаммы Shewanella, которые способны переносить электроны непосредственно на электроды через наружные мембранные белки или нановолокна. Эта система предназначена для питания подземных датчиков, используемых в точном земледелии и экологическом мониторинге, предлагая потенциальную альтернативу традиционным батареям.
Новая технология призвана решить проблемы, присущие обычным батареям: они содержат токсичные и легковоспламеняющиеся материалы, зависят от сложных глобальных цепочек поставок и способствуют росту электронных отходов. Солнечные панели также неидеальны для этой задачи, так как загрязняются, требуют солнечного света и занимают место. Почвенный же элемент работает автономно и в прямом смысле слова использует местные ресурсы.
Ключевым достижением команды стала высокая надежность топливного элемента в различных условиях. Устройство успешно функционировало как в сухой почве, так и в затопленной среде, производя энергию примерно на 120% дольше, чем предыдущие аналогичные системы. В ходе испытаний элемент питал датчики влажности почвы и даже специальную антенну для беспроводной передачи данных. Эта антенна, потребляя микроватты энергии, вырабатываемой почвенным элементом, модулирует радиосигналы на низких частотах, передавая закодированные данные короткими импульсами на небольшие расстояния.
Прорыв стал возможен благодаря изменению геометрии элемента. Вместо традиционного параллельного расположения анода и катода исследователи разместили их перпендикулярно друг другу. Анод залегает горизонтально в грунте, а катод выходит вертикально к поверхности. Такая конструкция обеспечивает постоянный приток кислорода к верхней части и сохраняет влагу в нижней, что значительно повышает стабильность выработки энергии.
«Если мы представим будущее с триллионами устройств Интернета вещей, мы не можем строить каждое из них на основе лития, тяжелых металлов и токсинов, опасных для среды, — объясняет мотивацию работы ведущий автор Билл Йен. — Нам нужны альтернативы». Старший автор исследования Джордж Уэллс добавляет: «Эти микробы вездесущи. Мы не будем питать этим электричеством целые города, но можем улавливать крошечные amounts энергии для практических приложений с низким энергопотреблением».
В настоящее время команда работает над повышением эффективности технологии и изучением возможности создания биоразлагаемых версий устройства. Все чертежи, руководства и инструменты для моделирования были опубликованы в открытом доступе, чтобы другие исследователи могли развивать эту работу. Как отмечает соавтор Джозайя Хестер, конечная цель — создавать устройства из доступных местных материалов, делая технологии более устойчивыми и доступными для всех сообществ.
Источник: Scientists develop dirt-powered fuel cell that could replace batteries