Среда, 21 февраля, 2024
ДомойТехнологииУченые разработали новый топливный элемент, работающий на грязи, который работает вечно

Ученые разработали новый топливный элемент, работающий на грязи, который работает вечно

- Advertisement -

Исследователи Северо-Западного университета представили топливный элемент, работающий на почвенных микробах, который значительно превосходит аналогичные технологии и обеспечивает устойчивое решение для питания малоэнергетических устройств с полным публичным доступом к его конструкциям для широкого применения. Крышка топливного элемента, напечатанная на 3D-принтере, возвышается над землей. Крышка предотвращает попадание мусора в устройство и обеспечивает приток воздуха. Фото: Билл Йен/Северо-Западный университет.

Группа исследователей под руководством Северо-Западного университета разработала новый топливный элемент, который собирает энергию из микробов, живущих в грязи.

Эта технология размером со стандартную книгу в мягкой обложке может питать подземные датчики, используемые в точном земледелии и зеленой инфраструктуре. Это потенциально может предложить устойчивую, возобновляемую альтернативу батареям, которые содержат токсичные, легковоспламеняющиеся химические вещества, которые попадают в землю, чреваты конфликтами в цепочках поставок и способствуют постоянно растущей проблеме электронных отходов.

Чтобы протестировать новый топливный элемент, исследователи использовали его для питания датчиков, измеряющих влажность почвы и обнаруживающих прикосновение — возможность, которая может быть полезна для отслеживания проходящих мимо животных. Чтобы обеспечить беспроводную связь, исследователи также оснастили датчик с питанием от почвы крошечной антенной для передачи данных на соседнюю базовую станцию ​​путем отражения существующих радиочастотных сигналов.

Топливный элемент не только работал как во влажных, так и в сухих условиях, но его мощность превосходила аналогичные технологии на 120%.

Исследование будет опубликовано сегодня (12 января) в Трудах Ассоциации вычислительной техники по интерактивным, мобильным, носимым и повсеместным технологиям. Авторы исследования также публикуют все проекты, учебные пособия и инструменты моделирования, чтобы другие могли использовать и развивать результаты исследования.

«Количество устройств в Интернете вещей (IoT) постоянно растет», — сказал выпускник Northwestern Билл Йен, который руководил работой. «Если мы представим будущее с триллионами этих устройств, мы не сможем построить каждое из них из лития, тяжелых металлов и токсинов, опасных для окружающей среды. Нам необходимо найти альтернативы, которые смогут обеспечить небольшое количество энергии для питания децентрализованной сети устройств. В поисках решений мы обратились к почвенным микробным топливным элементам, которые используют специальные микробы для разрушения почвы и используют это небольшое количество энергии для питания датчиков. Пока в почве есть органический углерод, который могут расщеплять микробы, топливный элемент потенциально может работать вечно».

Билл Йен, ведущий автор исследования, закопал топливный элемент во время испытаний в лаборатории Северо-Западного университета. Предоставлено: Северо-Западный университет.

«Эти микробы повсюду; они уже живут повсюду в почве», — сказал Джордж Уэллс из Northwestern, старший автор исследования. «Мы можем использовать очень простые инженерные системы для улавливания их электроэнергии. Мы не собираемся снабжать этой энергией целые города. Но мы можем улавливать минимальные количества энергии для использования в практических маломощных приложениях».

Уэллс — доцент кафедры гражданского и экологического строительства Инженерной школы Маккормика Северо-Западного университета. Теперь доктор философии. Студент Стэнфордского университета, Йен начал этот проект, когда был студентом-исследователем в лаборатории Уэллса.

Решения для грязной работы

В последние годы фермеры во всем мире все чаще применяют точное земледелие в качестве стратегии повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Технический подход основан на измерении точных уровней влаги, питательных веществ и загрязняющих веществ в почве для принятия решений, которые улучшают здоровье сельскохозяйственных культур. Это требует широко распространенной, рассредоточенной сети электронных устройств для непрерывного сбора данных об окружающей среде.

«Если вы хотите разместить датчик в дикой природе, на ферме или в заболоченной местности, вам придется установить в него батарею или собирать солнечную энергию», — сказал Йен. «Солнечные панели плохо работают в грязной среде, потому что они покрываются грязью, не работают, когда нет солнца, и занимают много места. Батареи также представляют собой проблему, потому что у них заканчивается заряд. Фермеры не собираются обходить ферму площадью 100 акров, чтобы регулярно менять батареи или очищать солнечные панели от пыли».

Чтобы преодолеть эти проблемы, Уэллс, Йен и их коллеги задались вопросом, могут ли они вместо этого собирать энергию из существующей окружающей среды. «Мы в любом случае могли бы собирать энергию из почвы, за которой фермеры следят», — сказал Йен.

«Безуспешные усилия»

Впервые появившись в 1911 году, микробные топливные элементы (МТЭ) на основе почвы работают как батарея — с анодом, катодом и электролитом. Но вместо того, чтобы использовать химические вещества для выработки электроэнергии, МФЦ собирают электроэнергию из бактерий, которые естественным образом отдают электроны близлежащим проводникам. Когда эти электроны перетекают от анода к катоду, они создают электрическую цепь.

Топливный элемент, покрытый грязью после того, как его извлекли из земли для исследований. Фото: Билл Йен/Северо-Западный университет.

Но для того, чтобы микробные топливные элементы работали без сбоев, они должны оставаться гидратированными и насыщенными кислородом, что сложно, если их закопать под землей, в сухой земле.

«Хотя концепция MFC существует уже более века, их ненадежная работа и низкая выходная мощность загнали в тупик усилия по их практическому использованию, особенно в условиях низкой влажности», — сказал Йен.

Выигрышная геометрия

Помня об этих проблемах, Йен и его команда отправились в двухлетнее путешествие по разработке практичного и надежного MFC на основе почвы. Его экспедиция включала создание и сравнение четырех разных версий. Сначала исследователи собрали данные о производительности каждого дизайна за девять месяцев. Затем они протестировали свою окончательную версию в открытом саду.

Самый эффективный прототип хорошо работал как в засушливых условиях, так и в заболоченных условиях. Секрет успеха: геометрия. Вместо использования традиционной конструкции, в которой анод и катод расположены параллельно друг другу, победивший топливный элемент использовал перпендикулярную конструкцию.

Анод, сделанный из углеродного войлока (недорогой и распространенный проводник для захвата электронов микробов), расположен горизонтально по отношению к поверхности земли. Катод, изготовленный из инертного проводящего металла, расположен вертикально над анодом.

Несмотря на то, что все устройство находится в земле, вертикальная конструкция гарантирует, что верхний конец находится на одном уровне с поверхностью земли. Крышка, напечатанная на 3D-принтере, лежит на верхней части устройства и предотвращает попадание мусора внутрь. А отверстие сверху и пустая воздушная камера, расположенная рядом с катодом, обеспечивают постоянный поток воздуха.

Нижний конец катода остается глубоко под поверхностью, гарантируя, что он останется увлажненным из-за влажной окружающей почвы — даже когда поверхностная почва высыхает под солнечным светом. Исследователи также покрыли часть катода гидроизоляционным материалом, чтобы он мог дышать во время наводнения. А после потенциального затопления вертикальная конструкция позволяет катоду высыхать постепенно, а не сразу.

В среднем полученный топливный элемент генерировал в 68 раз больше энергии, чем необходимо для работы его датчиков. Он также был достаточно прочным, чтобы выдерживать большие изменения влажности почвы — от слегка сухой (41% воды по объему) до полностью погруженной в воду.

Делаем компьютеры доступными

Исследователи говорят, что все компоненты для их почвенного МФЦ можно приобрести в местном хозяйственном магазине. Далее они планируют разработать МФЦ на основе почвы, изготовленный из полностью биоразлагаемых материалов. Оба проекта обходят сложные цепочки поставок и избегают использования конфликтных минералов.

«С COVID-19 Пандемия, мы все узнали, как кризис может нарушить глобальную цепочку поставок электроники», — сказал соавтор исследования Джозайя Хестер, бывший преподаватель Северо-Западного университета, который сейчас работает в Технологическом институте Джорджии. «Мы хотим создавать устройства, использующие местные цепочки поставок и недорогие материалы, чтобы компьютеры были доступны для всех сообществ».

Ссылка: Билл Йен, Лаура Джалифф, Луи Гутьеррес, Филотей Сахинидис, Сэди Бернштейн, Джон Мэдден, Стивен Тейлор, Коллин Джозефсон, Пэт Паннуто, Вейтао Шуай, Джордж Уэллс, Ниведита Арора и Джозайя Хестер, 11 января. 2024, Труды ACM по интерактивным, мобильным, носимым и повсеместным технологиям.
DOI: 10.1145/3631410

Исследование было поддержано Национальным научным фондом (номер премии CNS-2038853), Инициативой сельскохозяйственных и пищевых исследований (номер награды 2023-67021-40628) Национального института продовольствия и сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США, Фондом Альфреда П. Слоана, VMware. Исследования и 3М.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме