Топливный элемент, работающий «на грязи», извлекает почти безграничную энергию из почвы

Микробные топливные элементы, как их называют, существуют уже более 100 лет. Они работают как батарея с анодом, катодом и электролитом – но вместо того, чтобы получать электричество из химических источников, они работают с бактериями, которые естественным образом отдают электроны близлежащим проводникам, поедая почву.

До сих пор проблема заключалась в том, чтобы обеспечить их водой и кислородом, пока они были закопаны в грязь.

«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 выпускник UNW и руководитель проекта Билл Йен.

Итак, команда приступила к созданию нескольких новых конструкций, направленных на предоставление клеткам постоянного доступа к кислороду и воде, и добилась успеха с конструкцией в форме картриджа, расположенного вертикально на горизонтальном диске. Анод из углеродного фетра в форме диска расположен горизонтально в нижней части устройства, закопан глубоко в почву, где он может захватывать электроны, пока микробы переваривают грязь.

При этом проводящий металлический катод располагается вертикально поверх анода. Таким образом, нижняя часть сидит достаточно глубоко, чтобы иметь доступ к влаге из глубокой почвы, а верхняя находится на одном уровне с поверхностью. По всей длине электрода проходит зазор для свежего воздуха, а защитный колпачок сверху предотвращает попадание грязи и мусора и перекрытие доступа катода к кислороду. Часть катода также покрыта гидроизоляционным материалом, поэтому при затоплении остается гидрофобная часть катода, контактирующая с кислородом, поддерживающая работу топливного элемента.

В ходе испытаний эта конструкция стабильно работала при различных уровнях влажности почвы, от полностью подводного до «несколько сухого», с содержанием воды в почве всего 41% по объему. В среднем он генерировал примерно в 68 раз больше энергии, чем требовалось для работы бортовых систем обнаружения влаги и прикосновения, а также для передачи данных через крошечную антенну на ближайшую базовую станцию.

Как и в случае с другими сверхдолгосрочными источниками выработки электроэнергии, такими как бета-вольтаические алмазные батареи, изготовленные из ядерных отходов, количество вырабатываемой здесь энергии недостаточно велико, чтобы запустить автомобиль или смартфон, работающий на грязном топливе. Речь идет больше о питании небольших датчиков, которые могут работать в течение длительного времени без необходимости регулярной замены батарей.

«Если мы представим себе будущее с триллионами этих устройств, мы не сможем построить каждое из них из лития, тяжелых металлов и токсинов, опасных для окружающей среды», — сказал Йен. «Нам необходимо найти альтернативы, которые могут обеспечить небольшое количество энергии для питания децентрализованной сети устройств. В поисках решений мы обратились к микробным топливным элементам почвы, которые используют специальные микробы для разрушения почвы и используют это небольшое количество энергии. Пока в почве есть органический углерод, который микробы могут расщепить, топливный элемент потенциально может работать вечно».

Таким образом, подобные датчики могут быть очень полезны фермерам, желающим контролировать различные элементы почвы – влажность, питательные вещества, загрязняющие вещества и т. д. – и применять высокотехнологичный подход к точному земледелию. Разместите несколько десятков таких вещей вокруг своей собственности, и они будут способны генерировать данные на годы, а возможно, даже на десятилетия вперед.

Пожалуй, самое приятное здесь то, что все компоненты этой конструкции, по мнению исследовательской группы, можно купить в готовом виде в хозяйственном магазине. Таким образом, между этим исследованием и широкой коммерциализацией нет никаких проблем с цепочкой поставок или материалами.

NewAtlas

Спасибо, что читаете «Капитал страны»! Получайте первыми самые важные новости в нашем Telegram-канале или Вступайте в группу в «ВКонтакте» или в «Одноклассниках»