Investigadores de la Universidad Northwestern han introducido una pila de combustible alimentada por microbios del suelo, superando significativamente a tecnologías similares y proporcionando una solución sostenible para alimentar dispositivos de baja potencia, con pleno acceso público a sus diseños para una aplicación generalizada. La tapa de la pila de combustible impresa en 3D se asoma por encima del suelo. La cubierta mantiene la suciedad fuera del dispositivo mientras permite el flujo de aire. Crédito: Bill Yen/Universidad Northwestern
Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad Northwestern ha desarrollado una nueva pila de combustible que recolecta energía de microbios que viven en la tierra.
Aproximadamente del tamaño de un libro de papel normal, la tecnología basada en el suelo podría alimentar sensores subterráneos utilizados en agricultura de precisión e infraestructura verde. Esto proporciona potencialmente una alternativa sostenible y renovable a las baterías, que contienen sustancias químicas tóxicas e inflamables que se filtran al suelo, están plagadas de cadenas de suministro plagadas de conflictos y contribuyen al problema cada vez mayor de los desechos electrónicos.
Para probar la nueva pila de combustible, los investigadores la utilizaron para alimentar sensores que miden la humedad del suelo y detectan el tacto, una capacidad que podría ser valiosa para rastrear a los animales que pasan. Para permitir las comunicaciones inalámbricas, los investigadores también equiparon el sensor terrestre con una pequeña antena para transmitir datos a una estación base cercana reflejando las señales de radiofrecuencia existentes.
La pila de combustible no sólo funcionó en condiciones húmedas y secas, sino que su potencia también superó tecnologías similares en un 120%.
La investigación se publicará hoy (12 de enero) en las Actas de la Asociación de Maquinaria de Computación sobre Tecnologías Interactivas, Móviles, Usables y Ubicuas. Los autores del estudio también hacen públicos todos los diseños, tutoriales y herramientas de simulación, para que otros puedan utilizar y desarrollar la investigación.
«La cantidad de dispositivos conectados al Internet de las cosas (IoT) está en constante crecimiento», afirmó Bill Yen, un estudiante graduado de la Universidad Northwestern que dirigió el trabajo. «Si imaginamos un futuro con billones de estos dispositivos, no podremos construir cada uno de ellos utilizando litio, metales pesados y toxinas que suponen un riesgo para el medio ambiente. Necesitamos encontrar alternativas que puedan proporcionar bajas cantidades de energía para alimentar una red descentralizada de dispositivos. En nuestra búsqueda de soluciones, analizamos las celdas de combustible microbianas del suelo, que utilizan microbios especiales para descomponer el suelo y usar esa pequeña cantidad de energía para alimentar sensores. Siempre que haya carbono orgánico en el suelo para que los microbios se descompongan, la pila de combustible puede durar potencialmente para siempre.
Bill Yen, autor principal del estudio, enterró la pila de combustible durante las pruebas en el laboratorio de la Universidad Northwestern. Crédito: Universidad del Noroeste
«Estos microbios están en todas partes. De hecho, viven en el suelo en todas partes», dijo George Wells de la Universidad Northwestern, uno de los autores principales del estudio. «Podemos utilizar sistemas de ingeniería muy simples para obtener electricidad. No abasteceremos de esta energía a ciudades enteras. Pero podemos capturar pequeñas cantidades de energía para impulsar aplicaciones prácticas de bajo consumo.
Wells es profesor asociado de ingeniería civil y ambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. Ahora un doctorado. Yin, un estudiante de la Universidad de Stanford, comenzó este proyecto mientras era investigador universitario en el laboratorio de Wells.
Soluciones para un trabajo sucio
En los últimos años, los agricultores de todo el mundo han adoptado cada vez más la agricultura de precisión como estrategia para mejorar el rendimiento de los cultivos. El enfoque basado en tecnología se basa en medir niveles precisos de humedad, nutrientes y contaminantes en el suelo para tomar decisiones que promuevan la salud de los cultivos. Esto requiere una red grande y dispersa de dispositivos electrónicos para recopilar continuamente datos ambientales.
«Si quieres colocar un sensor en un lugar natural, en una granja o en un humedal, estás limitado a colocarle una batería o recolectar energía solar», dijo Yen. «Los paneles solares no funcionan bien en ambientes sucios porque están cubiertos de suciedad, no funcionan cuando no hay sol y ocupan mucho espacio. Las baterías también son un desafío porque se quedan sin energía». Los agricultores no caminarán por una granja de 100 acres reemplazando periódicamente las baterías o quitando el polvo de los paneles solares.
Para superar estos desafíos, Wells, Wayne y sus colaboradores se preguntaron si podrían, en cambio, recolectar energía del entorno existente. «Podemos recolectar energía del suelo que los agricultores están monitoreando de todos modos», dijo Yen.
«Esfuerzos frustrados»
Las pilas de combustible microbianas (MFC) basadas en el suelo hicieron su debut en 1911 y funcionan como una batería: con un ánodo, un cátodo y un electrolito. Pero en lugar de utilizar productos químicos para generar electricidad, los MFC recolectan electricidad de bacterias que naturalmente donan electrones a los conductores cercanos. Cuando estos electrones fluyen del ánodo al cátodo, forman un circuito eléctrico.
La pila de combustible se cubre de tierra después de ser extraída del suelo para realizar estudios. Crédito: Bill Yen/Universidad Northwestern
Pero para que las pilas de combustible microbianas funcionen ininterrumpidamente, necesitan permanecer húmedas y recibir oxígeno, lo cual es difícil cuando están enterradas bajo tierra en tierra seca.
«Aunque los MSC existen como concepto desde hace más de un siglo, su rendimiento poco confiable y su baja capacidad de producción han frustrado los esfuerzos por hacer uso práctico de ellos, especialmente en condiciones de baja humedad», dijo Yin.
Ingeniería ganadora
Con estos desafíos en mente, Yin y su equipo se embarcaron en un viaje de dos años para desarrollar una celda MFC basada en el suelo práctica y confiable. Su viaje incluyó la creación y comparación de cuatro versiones diferentes. Primero, los investigadores recopilaron nueve meses de datos sobre el desempeño de cada diseño. Luego probaron su versión final en un parque al aire libre.
El prototipo de mejor rendimiento funcionó bien tanto en condiciones secas como en un entorno sumergido. El secreto detrás de su éxito: su ingeniería. En lugar de utilizar el diseño tradicional, en el que el ánodo y el cátodo son paralelos entre sí, la pila de combustible ganadora utilizó un diseño ortogonal.
Hecho de fieltro de carbono (un conductor económico y fácilmente disponible para capturar electrones de microbios), el ánodo está horizontal al suelo. El cátodo consta de un metal conductor inerte y se coloca verticalmente sobre el ánodo.
Aunque todo el dispositivo está enterrado, el diseño vertical garantiza que el extremo superior quede al ras de la superficie del suelo. Hay una cubierta impresa en 3D en la parte superior del dispositivo para evitar que caigan residuos en su interior. El orificio en la parte superior y la cámara de aire vacía que se encuentra junto al cátodo permiten un flujo de aire constante.
El extremo inferior del cátodo permanece colocado profundamente debajo de la superficie, asegurando que permanezca húmedo del suelo húmedo circundante, incluso cuando la capa superior del suelo se seca a la luz del sol. Los investigadores también recubrieron parte del cátodo con un material impermeabilizante para permitirle respirar durante las inundaciones. Después de una posible inundación, el diseño vertical permite que el cátodo se seque gradualmente en lugar de hacerlo todo de una vez.
En promedio, la pila de combustible resultante generó 68 veces más energía de la necesaria para operar sus sensores. También era lo suficientemente robusto como para soportar grandes cambios en la humedad del suelo, desde algo seco (41% de agua por volumen) hasta completamente bajo el agua.
Hacer que la informática sea accesible para todos
Todos los componentes del MFC a base de suelo se pueden comprar en una ferretería local, dicen los investigadores. A continuación, planean desarrollar un MFC basado en el suelo y fabricado con materiales totalmente biodegradables. Ambos diseños evitan cadenas de suministro complejas y evitan el uso de minerales conflictivos.
«Con el COVID-19 «Todos nos hemos dado cuenta de cómo una crisis puede alterar la cadena de suministro mundial de productos electrónicos», dijo el coautor del estudio Josiah Hester, ex miembro de la facultad de la Universidad Northwestern que ahora trabaja en el Instituto de Tecnología de Georgia. «Queremos construir dispositivos que utilicen cadenas de suministro locales y materiales de bajo costo para que la informática sea accesible para todas las comunidades».
Referencia: “Computación impulsada por el suelo” por Bill Yen, Laura Gleave, Luis Gutiérrez, Veluthi Sahinidis, Sadie Bernstein, John Madden, Steven Taylor, Colin Josephson, Pat Panuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora y Josiah Hester, enero 11 . 2024, Actas de la ACM sobre tecnologías interactivas, móviles, portátiles y ubicuas.
doi: 10.1145/3631410
El estudio fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias (Premio No. CNS-2038853), la Iniciativa de Investigación Agrícola y Alimentaria (Premio No. 2023-67021-40628) del Instituto Nacional de Alimentación y Agricultura del USDA, la Fundación Alfred P. Sloan y VMware. Investigación y 3M.
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