Il team di ricercatori della Northwestern University ha sviluppato una nuova cella a combustibile che raccoglie energia dai microbi che vivono nella terra. Grande quanto un normale libro tascabile, questa tecnologia completamente azionata dal suolo potrebbe alimentare i sensori interrati, utilizzati nell’agricoltura di precisione e nelle infrastrutture verdi. È una tecnologia che potrebbe offrire un’alternativa sostenibile e rinnovabile alle batterie, che contengono sostanze chimiche tossiche e infiammabili che si infiltrano nel terreno, sono soggette a catene di approvvigionamento piene di conflitti e contribuiscono al problema sempre crescente dei rifiuti elettronici.
I ricercatori per testare la nuova cella a combustibile, l’hanno utilizzata per alimentare sensori che misurano l’umidità del suolo e rilevano il tatto, una capacità che potrebbe essere utile per rintracciare gli animali di passaggio; non solo, per consentire le comunicazioni wireless, hanno anche dotato il sensore alimentato dal suolo di una minuscola antenna per trasmettere i dati a una stazione base vicina riflettendo i segnali di radiofrequenza esistenti. È stato evidenziato che la cella a combustibile ha funzionato sia in condizioni di bagnato sia di asciutto, la sua potenza del 120% ha anche superato quella di tecnologie simili.
Lo studio è stato pubblicato nella rivista Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Gli autori dello studio stanno inoltre rendendo pubblici tutti i progetti, i tutorial e gli strumenti di simulazione, in modo che altri possano utilizzare e sviluppare la ricerca.
Bill Yen dottorato di ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Stanford, lavora nel campo dei sistemi Internet of Things (IoT) a basso consumo, responsabile dello studio, ha affermato:
«Il numero di dispositivi dell’Internet delle cose (IoT) è in costante crescita. Se immaginiamo un futuro con trilioni di questi dispositivi, non possiamo costruire ognuno di essi con litio, metalli pesanti e tossine pericolose per l’ambiente. Dobbiamo trovare alternative in grado di fornire basse quantità di energia per alimentare una rete decentralizzata di dispositivi. Alla ricerca di soluzioni, ci siamo rivolti alle celle a combustibile microbiche del suolo, che utilizzano speciali microbi per decomporre il suolo e sfruttare questa bassa quantità di energia per alimentare i sensori. Finché c’è carbonio organico nel terreno affinché i microbi possano degradarsi, la cella a combustibile potenzialmente può durare per sempre».
George Wells della Northwestern, autore senior dello studio, professore associato di ingegneria civile e ambientale presso la McCormick School of Engineering della Northwestern, ha affermato:
«Questi microbi sono diffusi ovunque e già presenti nel suolo. Possiamo utilizzare sistemi di ingegneria molto semplici per catturare la loro elettricità. Sebbene non sia possibile alimentare intere città con questa energia, possiamo ottenere quantità minime di energia sufficienti per alimentare applicazioni pratiche a basso consumo».
Soluzioni per un lavoro in ambienti sporchi
Gli agricoltori di tutto il mondo sempre più spesso negli ultimi anni, hanno adottato l’agricoltura di precisione come strategia per migliorare la resa dei raccolti, questo metodo tecnologico per prendere decisioni che migliorino la salute delle colture, si basa sulla misurazione di livelli precisi di umidità, nutrienti e contaminanti nel suolo. Ciò richiede una rete diffusa e dispersiva di dispositivi elettronici per raccogliere continuamente dati ambientali.
Bill Yen ha affermato:
«Se vuoi mettere un sensore in natura, in una fattoria o in una zona umida, sei costretto a inserirvi una batteria o a raccogliere energia solare. I pannelli solari non funzionano bene in ambienti sporchi perché si ricoprono di sporcizia, non funzionano quando non c’è il sole e occupano molto spazio, anche le batterie sono un problema perché si esauriscono. Gli agricoltori non hanno intenzione di andare in giro per un’azienda agricola di 100 acri per sostituire regolarmente le batterie o spolverare i pannelli solari».
George Wells, Bill Yen e i loro collaboratori, per superare queste sfide si sono chiesti se fosse possibile raccogliere energia dall’ambiente esistente.
Bill Yen ha affermato: «Potremmo comunque raccogliere energia dal terreno che gli agricoltori stanno monitorando».
Sforzi ostacolati
Apparse per la prima volta nel 1911, le celle a combustibile microbiche (MFC) basate sul suolo funzionano come una batteria, con un anodo, un catodo e un elettrolita, ma invece di utilizzare sostanze chimiche per generare elettricità, le MFC raccolgono elettricità dai batteri che donano naturalmente elettroni ai conduttori vicini, quando questi elettroni fluiscono dall’anodo al catodo, si crea un circuito elettrico, ma affinché le celle a combustibile microbiche possano funzionare senza interruzioni, devono rimanere idratate e ossigenate, il che è complicato se sepolte sotto terra, all’interno di terra secca.
Bill Yen ha affermato:
«Sebbene le MFC esistano come concetto da più di un secolo, le loro prestazioni inaffidabili e la bassa potenza di uscita, hanno ostacolato gli sforzi per farne un uso pratico, soprattutto in condizioni di scarsa umidità».
Geometria vincente
Bill Yen e il suo team con queste sfide in mente, hanno intrapreso un viaggio progettuale di due anni per sviluppare un MFC pratico e affidabile basato sul suolo. La sperimentazione ha previsto la creazione e il confronto di quattro differenti versioni. I ricercatori in primo luogo, hanno raccolto nove mesi di dati complessivi sulle prestazioni di ciascun progetto, poi hanno testato la versione finale in un giardino all’aperto.
Il prototipo più performante ha funzionato bene sia in condizioni di asciutto sia in un ambiente intriso d’acqua. Il segreto del suo successo: la sua geometria. La cella a combustibile vincente, invece di utilizzare un design tradizionale, in cui l’anodo e il catodo sono paralleli tra loro, ha sfruttato un design perpendicolare.
Realizzato in feltro di carbonio (un conduttore economico e abbondante per catturare gli elettroni dei microbi), l’anodo è orizzontale rispetto alla superficie del terreno. Il catodo, realizzato con un metallo inerte e conduttivo, si trova in verticale sopra l’anodo.
L’intero dispositivo sebbene sia interrato, il design verticale assicura che l’estremità superiore sia a filo con la superficie del terreno, in questo modo, un tappo stampato in 3D si trova in cima al dispositivo per evitare che i detriti cadano all’interno; un foro sulla parte superiore e una camera d’aria vuota che corre accanto al catodo consentono un flusso d’aria costante.
L’estremità inferiore del catodo rimane annidata in profondità sotto la superficie, assicurando che dal terreno umido circostante rimanga idratata, anche quando il terreno superficiale si asciuga alla luce del sole.
I ricercatori hanno anche rivestito una parte del catodo con materiale impermeabile per consentirgli di respirare durante un’alluvione. Inoltre, dopo un’eventuale inondazione, il design verticale consente al catodo di asciugarsi gradualmente anziché tutto in una volta.
La risultante cella a combustibile ha in media generato una potenza 68 volte superiore a quella necessaria per far funzionare i sensori. Inoltre, è stata sufficientemente robusta da resistere a grandi variazioni di umidità del suolo, da leggermente asciutto (41% di acqua in volume) a completamente sommerso.
I ricercatori affermano che tutti i componenti delle loro celle a combustibile microbiche (MFC) basato sul suolo, possono essere acquistati in un negozio di ferramenta locale.
I ricercatori in seguito, hanno in programma di sviluppare un MFC basato sul suolo e realizzato con materiali completamente biodegradabili. Entrambi i progetti aggirano complicate catene di approvvigionamento ed evitano l’uso dei cosiddetti “minerali di conflitto”, come stagno, tantalio, tungsteno e oro, che possono essere estratti in aree di conflitto e venduti per perpetuare guerre, combattimenti o conflitti militari.
Josiah Hester, ex membro della facoltà della Northwestern, ora lavora alla Georgia Institute of Technology, ha affermato:
«Tutti noi con la pandemia Covid-19, abbiamo imparato a conoscere come una crisi possa interrompere la catena di approvvigionamento globale dell’elettronica. Vogliamo costruire dispositivi che utilizzino catene di approvvigionamento locali e materiali a basso costo, in modo che l’informatica sia accessibile a tutte le comunità».