Wissenschaftler entwickeln eine neue, mit Erde betriebene Brennstoffzelle, die ewig läuft

Ein Forscherteam unter der Leitung der Northwestern University hat eine neue Brennstoffzelle entwickelt, die Energie aus im Schmutz lebenden Mikroben gewinnt.

Die bodenbasierte Technologie hat etwa die Größe eines normalen Papierbuchs und könnte unterirdische Sensoren antreiben, die in der Präzisionslandwirtschaft und der grünen Infrastruktur eingesetzt werden. Dies stellt möglicherweise eine nachhaltige, erneuerbare Alternative zu Batterien dar, die giftige und brennbare Chemikalien enthalten, die in den Boden gelangen, mit konfliktgeladenen Lieferketten behaftet sind und zum ständig wachsenden Elektroschrottproblem beitragen.

Um die neue Brennstoffzelle zu testen, versorgten die Forscher damit Sensoren, die die Bodenfeuchtigkeit messen und Berührungen erkennen – eine Fähigkeit, die für die Verfolgung vorbeiziehender Tiere nützlich sein könnte. Um eine drahtlose Kommunikation zu ermöglichen, rüsteten die Forscher den bodenbasierten Sensor außerdem mit einer kleinen Antenne aus, um Daten durch Reflexion vorhandener Hochfrequenzsignale an eine nahegelegene Basisstation zu übertragen.

Die Brennstoffzelle funktionierte nicht nur unter nassen und trockenen Bedingungen, sondern ihre Leistung übertraf auch vergleichbare Technologien um 120 %.

Die Forschung wird heute (12. Januar) in den Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable, and Ubiquitous Technologies veröffentlicht. Die Autoren der Studie veröffentlichen außerdem alle Entwürfe, Tutorials und Simulationstools, damit andere die Forschung nutzen und darauf aufbauen können.

„Die Zahl der Geräte, die mit dem Internet der Dinge (IoT) verbunden sind, wächst ständig“, sagte Bill Yen, ein Doktorand der Northwestern University, der die Arbeit leitete. „Wenn wir uns eine Zukunft mit Billionen dieser Geräte vorstellen, werden wir nicht in der Lage sein, jedes einzelne davon mit Lithium, Schwermetallen und Giftstoffen zu bauen, die eine Gefahr für die Umwelt darstellen. Wir müssen Alternativen finden, die geringe Mengen davon liefern können.“ Energie, um ein dezentrales Netzwerk von Geräten mit Strom zu versorgen. Auf unserer Suche nach Lösungen haben wir uns mit bodenmikrobiellen Brennstoffzellen befasst, die spezielle Mikroben verwenden, um den Boden abzubauen und diese geringe Energiemenge für den Betrieb von Sensoren zu verwenden. Vorausgesetzt, es ist organischer Kohlenstoff enthalten Wenn der Boden für den Abbau der Mikroben frei wird, kann die Brennstoffzelle möglicherweise ewig halten.

Bill Yen, der Hauptautor der Studie, vergrub die Brennstoffzelle während der Tests im Labor der Northwestern University. Bildnachweis: Northwestern University

„Diese Mikroben sind überall. Sie leben tatsächlich überall im Boden“, sagte George Wells von der Northwestern University, ein leitender Autor der Studie. „Wir können sehr einfache technische Systeme nutzen, um Strom zu gewinnen.“ Wir werden nicht ganze Städte mit dieser Energie versorgen. Aber wir können winzige Energiemengen gewinnen, um praktische Anwendungen mit geringem Stromverbrauch zu betreiben.

Wells ist außerordentlicher Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der McCormick School of Engineering im Nordwesten. Jetzt ein Ph.D. Yin, ein Student an der Stanford University, begann dieses Projekt, als er als Student im Labor von Wells arbeitete.

Lösungen für einen schmutzigen Job

In den letzten Jahren haben Landwirte auf der ganzen Welt zunehmend Präzisionslandwirtschaft als Strategie zur Verbesserung der Ernteerträge eingeführt. Der technologiebasierte Ansatz basiert auf der Messung des präzisen Feuchtigkeits-, Nährstoff- und Schadstoffgehalts im Boden, um Entscheidungen zu treffen, die die Gesundheit der Pflanzen fördern. Dies erfordert ein großes und verteiltes Netzwerk elektronischer Geräte, um kontinuierlich Umweltdaten zu sammeln.

„Wenn Sie einen Sensor in der Wildnis, auf einem Bauernhof oder in einem Feuchtgebiet aufstellen möchten, müssen Sie nur eine Batterie einbauen oder Sonnenenergie gewinnen“, sagte Yen. „Solarmodule funktionieren in schmutzigen Umgebungen nicht gut, weil sie mit Schmutz bedeckt sind, sie funktionieren nicht, wenn die Sonne nicht scheint, und sie nehmen viel Platz ein. Batterien sind auch eine Herausforderung, weil ihnen die Energie ausgeht.“ . Landwirte gehen nicht regelmäßig auf einem 100 Hektar großen Bauernhof umher und tauschen die Batterien aus oder stauben Solarpaneele ab.

Um diese Herausforderungen zu meistern, fragten sich Wells, Wayne und ihre Mitarbeiter, ob sie stattdessen Energie aus der vorhandenen Umgebung gewinnen könnten. „Wir können Energie aus dem Boden gewinnen, den die Landwirte ohnehin überwachen“, sagte Yen.

„Frustrierte Bemühungen“

Bei ihrem Debüt im Jahr 1911 funktionieren bodenbasierte mikrobielle Brennstoffzellen (MFCs) wie eine Batterie – mit Anode, Kathode und Elektrolyt. Doch anstatt Chemikalien zur Stromerzeugung zu verwenden, sammeln MFCs Strom von Bakterien, die auf natürliche Weise Elektronen an nahegelegene Leiter abgeben. Wenn diese Elektronen von der Anode zur Kathode fließen, bilden sie einen Stromkreis.

Die Brennstoffzelle ist mit Schmutz bedeckt, nachdem sie für Studien aus dem Boden geholt wurde. Bildnachweis: Bill Yen/Northwestern University

Damit mikrobielle Brennstoffzellen jedoch unterbrechungsfrei funktionieren können, müssen sie feucht und mit Sauerstoff versorgt bleiben, was schwierig ist, wenn sie unter der Erde in trockener Erde vergraben sind.

„Obwohl es MSCs als Konzept schon seit mehr als einem Jahrhundert gibt, haben ihre unzuverlässige Leistung und geringe Produktionskapazität die Bemühungen, sie in die Praxis umzusetzen, zunichte gemacht, insbesondere unter Bedingungen mit niedriger Luftfeuchtigkeit“, sagte Yin.

Erfolgreiche Technik

Angesichts dieser Herausforderungen begaben sich Yin und sein Team auf eine zweijährige Reise, um eine praktische und zuverlässige bodenbasierte MFC-Zelle zu entwickeln. Seine Reise beinhaltete die Erstellung – und den Vergleich – von vier verschiedenen Versionen. Zunächst sammelten die Forscher neun Monate lang Daten zur Leistung jedes Designs. Anschließend testeten sie ihre endgültige Version in einem Outdoor-Park.

Der leistungsstärkste Prototyp schnitt sowohl unter trockenen Bedingungen als auch in einer Unterwasserumgebung gut ab. Das Geheimnis seines Erfolgs: seine Technik. Anstelle des traditionellen Designs, bei dem Anode und Kathode parallel zueinander sind, nutzte die siegreiche Brennstoffzelle ein orthogonales Design.

Die Anode besteht aus Kohlenstofffilz (einem leicht erhältlichen und kostengünstigen Leiter zum Einfangen von Mikrobenelektronen) und liegt horizontal zum Boden. Die Kathode besteht aus einem inerten, leitfähigen Metall und ist senkrecht über der Anode angebracht.

Obwohl das gesamte Gerät eingegraben ist, sorgt die vertikale Bauweise dafür, dass das obere Ende bündig mit der Erdoberfläche abschließt. Auf der Oberseite des Geräts befindet sich eine 3D-gedruckte Abdeckung, die verhindert, dass Schmutz ins Innere fällt. Das Loch oben und die neben der Kathode verlaufende leere Luftkammer ermöglichen einen konstanten Luftstrom.

Das untere Ende der Kathode bleibt tief unter der Oberfläche positioniert und stellt so sicher, dass sie vom umgebenden feuchten Boden feucht bleibt, selbst wenn der Oberboden im Sonnenlicht trocknet. Die Forscher beschichteten außerdem einen Teil der Kathode mit einem wasserdichten Material, damit sie bei Überschwemmung atmen kann. Nach einer möglichen Überschwemmung ermöglicht die vertikale Bauweise, dass die Kathode allmählich und nicht auf einmal trocknet.

Im Durchschnitt erzeugte die resultierende Brennstoffzelle 68-mal mehr Strom, als zum Betrieb ihrer Sensoren erforderlich war. Es war auch robust genug, um großen Veränderungen der Bodenfeuchtigkeit standzuhalten – von etwas trocken (41 Vol.-% Wasser) bis vollständig unter Wasser.

Computing für jedermann zugänglich machen

Alle Komponenten von bodenbasiertem MFC können in einem örtlichen Baumarkt gekauft werden, sagen Forscher. Als nächstes planen sie die Entwicklung eines bodenbasierten MFC aus vollständig biologisch abbaubaren Materialien. Beide Designs umgehen komplexe Lieferketten und vermeiden den Einsatz von Konfliktmineralien.

„Mit dem COVID-19 „Uns allen ist bewusst geworden, wie eine Krise die globale Elektroniklieferkette stören kann“, sagte der Co-Autor der Studie, Josiah Hester, ein ehemaliges Fakultätsmitglied der Northwestern University, das jetzt am Georgia Institute of Technology arbeitet. „Wir wollen Geräte bauen, die lokale Lieferketten und kostengünstige Materialien nutzen, damit Computer für alle Gemeinden zugänglich sind.“

Referenz: „Soil-Powered Computing“ von Bill Yen, Laura Gleave, Luis Gutierrez, Veluthi Sahinidis, Sadie Bernstein, John Madden, Steven Taylor, Colin Josephson, Pat Panuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora und Josiah Hester, Januar 11 . 2024, Tagungsband des ACM zu interaktiven, mobilen, tragbaren und allgegenwärtigen Technologien.
doi: 10.1145/3631410

Die Studie wurde von der National Science Foundation (Auszeichnung Nr. CNS-2038853), der Agricultural and Food Research Initiative (Auszeichnung Nr. 2023-67021-40628) des USDA National Institute of Food and Agriculture und der Alfred P. Sloan Foundation unterstützt , VMware Research und 3M.