Notícia

Nova tecnologia coleta energia de micróbios do solo para alimentar célula a combustível

Fonte

Universidade Northwestern

Data

sábado, 20 janeiro 2024 14:40

Áreas

Agricultura. Biotecnologia. Energia. Engenharia Ambiental. Materiais. Microbiologia. Monitoramento Ambiental. Sensoriamento Remoto. Solo. Tecnologias.

Uma equipe de pesquisadores liderada pela Universidade Northwestern, nos Estados Unidos, desenvolveu uma nova célula a combustível que coleta energia de micróbios que vivem na terra.

Mais ou menos do tamanho de um livro de bolso padrão, a tecnologia totalmente alimentada pelo solo poderia alimentar sensores subterrâneos usados na agricultura de precisão e na infraestrutura verde. Isto poderia potencialmente oferecer uma alternativa sustentável e renovável às baterias, que contêm produtos químicos tóxicos e inflamáveis que se infiltram no solo, estão repletas de cadeias de abastecimento cheias de conflitos e contribuem para o problema cada vez maior do lixo eletrônico.

Para testar a nova célula a combustível, os pesquisadores usaram-na para alimentar sensores que medem a umidade do solo e detectam o toque, uma capacidade que pode ser valiosa para rastrear animais que passam. Para permitir comunicação sem fios, os pesquisadores também equiparam o sensor alimentado pelo solo com uma pequena antena para transmitir dados para uma estação base vizinha, refletindo os sinais de radiofrequência existentes.

A célula a combustível não apenas funcionou tanto em condições úmidas quanto secas, mas sua potência também superou tecnologias semelhantes em 120%.

Os resultados da pesquisa foram publicados recentemente na revista científica Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Os autores do estudo também estão divulgando todos os projetos, tutoriais e ferramentas de simulação ao público, para que outros possam usar e desenvolver a pesquisa.

“O número de dispositivos na Internet das Coisas (IoT) está em constante crescimento”, disse Bill Yen, ex-aluno da Northwestern, que liderou o trabalho. “Se imaginarmos um futuro com triliões destes dispositivos, não podemos construir todos eles a partir de lítio, metais pesados e toxinas que são perigosas para o ambiente. Precisamos encontrar alternativas que possam fornecer baixas quantidades de energia para alimentar uma rede descentralizada de dispositivos. Na busca por soluções, procuramos células a combustível microbianas do solo, que usam micróbios especiais para decompor o solo, e então usamos essa baixa quantidade de energia para alimentar sensores. Enquanto houver carbono orgânico no solo para os micróbios decomporem, a célula a combustível pode durar potencialmente para sempre.”

“Esses micróbios são onipresentes; eles já vivem no solo em todos os lugares”, disse o Dr. George Wells, pesquisador da Universidade Northwestern e autor sênior do estudo. “Podemos usar sistemas de engenharia muito simples para capturar sua eletricidade. Não vamos abastecer cidades inteiras com esta energia. Mas podemos capturar quantidades mínimas de energia para abastecer aplicações práticas e de baixo consumo”.

Wells é professor associado de Engenharia Civil e Ambiental na Escola de Engenharia da Universidade Northwestern. Agora doutorando da Universidade de Stanford, Bill Yen iniciou este projeto quando era pesquisador de graduação no laboratório do professor George Wells.

Tentativas de mais de um século

Desde 1911, as células a combustível microbianas (MFCs) baseadas no solo operam conceitualmente como uma bateria – com ânodo, cátodo e um eletrólito. Mas em vez de usar produtos químicos para gerar eletricidade, as MFCs colhem eletricidade de bactérias que naturalmente doam elétrons para condutores próximos. Quando esses elétrons fluem do ânodo para o cátodo, cria-se um circuito elétrico.

Mas para que as células a combustível microbianas funcionem sem interrupções, elas precisam permanecer hidratadas e oxigenadas – o que é complicado quando estão enterradas no subsolo, em terra seca. “Embora as MFCs existam como conceito há mais de um século, seu desempenho pouco confiável e baixa potência de saída frustraram os esforços para fazer uso prático delas, especialmente em condições de baixa umidade”, destacou Bill Yen.

Geometria vencedora

Com estes desafios em mente, os pesquisadores embarcaram em um desafio de dois anos para desenvolver uma MFC prática e confiável baseada no solo. O trabalho incluiu a criação – e comparação – de quatro versões diferentes. Primeiro, os pesquisadores coletaram nove meses de dados sobre o desempenho de cada projeto. Depois, testaram a versão final em um jardim ao ar livre.

O protótipo de melhor desempenho funcionou bem em condições secas e também em ambientes alagados. O segredo do sucesso: a geometria. Em vez de usar um design tradicional, no qual o ânodo e o cátodo são paralelos entre si, a célula a combustível vencedora aproveitou um design perpendicular.

Feito de feltro de carbono (um condutor abundante e barato para capturar os elétrons dos micróbios), o ânodo é horizontal em relação à superfície do solo. Feito de um metal inerte e condutor, o cátodo fica verticalmente sobre o ânodo.

Embora todo o dispositivo esteja enterrado, o design vertical garante que a extremidade superior fique nivelada com a superfície do solo. Uma tampa impressa em 3D fica na parte superior do dispositivo para evitar que detritos caiam em seu interior. E um orifício na parte superior e uma câmara de ar vazia ao lado do cátodo permitem um fluxo de ar consistente.

A extremidade inferior do cátodo permanece aninhada profundamente abaixo da superfície, garantindo que ele permaneça hidratado do solo úmido circundante – mesmo quando o solo superficial seca à luz do sol. Os pesquisadores também revestiram parte do cátodo com material impermeabilizante para permitir que ele respirasse durante uma enchente. E, após uma potencial inundação, o design vertical permite que o cátodo seque gradualmente, em vez de secar de uma só vez.

Em média, a célula a combustível resultante gerou 68 vezes mais energia do que a necessária para operar os sensores de interesse. Também foi robusta o suficiente para suportar grandes mudanças na umidade do solo – desde solo um pouco seco (41% de água por volume) até um solo completamente submerso.

Os pesquisadores disseram que todos os componentes da sua MFC baseada no solo podem ser adquiridos em uma loja de ferragens local. A seguir, eles planejam desenvolver uma MFC baseada no solo, feito de materiais totalmente biodegradáveis.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade Northwestern (em inglês).

Fonte: Amanda Morris, Universidade Northwestern. Imagem: célula a combustível limpa no laboratório. Fonte: Bill Yen, Universidade Northwestern.