Un gruppo di ricercatori dell’Università Northwestern ha sviluppato una nuova cella a combustibile che sfrutta l’energia prodotta dai microbi presenti nel terreno. Questa tecnologia, delle dimensioni di un libro tascabile, potrebbe alimentare sensori sotterranei utilizzati nell’agricoltura di precisione e nelle infrastrutture verdi, offrendo un’alternativa sostenibile e rinnovabile alle batterie, che contengono sostanze chimiche tossiche e infiammabili e contribuiscono al crescente problema dei rifiuti elettronici.
Un’innovazione nel campo dell’energia rinnovabile
Per testare la nuova cella a combustibile, i ricercatori l’hanno utilizzata per alimentare sensori che misurano l’umidità del suolo e rilevano il tocco, una capacità che potrebbe essere preziosa per monitorare il passaggio degli animali. Per consentire le comunicazioni wireless, i ricercatori hanno anche dotato il sensore alimentato dal suolo di una piccola antenna per trasmettere dati a una stazione base vicina, riflettendo i segnali radio esistenti.
La cella a combustibile ha funzionato sia in condizioni umide che asciutte, e la sua potenza ha superato le tecnologie simili del 120%. La ricerca sarà pubblicata oggi (12 gennaio) negli Atti dell’Association for Computing Machinery su tecnologie interattive, mobili, indossabili e ubiquitarie. Gli autori dello studio stanno anche rilasciando tutti i progetti, i tutorial e gli strumenti di simulazione al pubblico, affinché altri possano utilizzare e sviluppare ulteriormente la ricerca.
Un’alternativa ecologica alle batterie
“Con il costante aumento dei dispositivi nell’Internet delle cose (IoT), non possiamo costruire ognuno di essi con litio, metalli pesanti e tossine pericolose per l’ambiente”, ha affermato Bill Yen, ex studente della Northwestern e leader del lavoro. “Dobbiamo trovare alternative che possano fornire piccole 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 microbi speciali per degradare il suolo e utilizzare quella piccola quantità di energia per alimentare i sensori. Finché c’è carbonio organico nel suolo per i microbi da degradare, la cella a combustibile può potenzialmente durare per sempre.”
La geometria vincente
Con queste sfide in mente, Yen e il suo team si sono imbarcati in un viaggio di due anni per sviluppare una cella a combustibile microbica del suolo pratica e affidabile. La loro spedizione ha incluso la creazione e il confronto di quattro diverse versioni. Prima, i ricercatori hanno raccolto nove mesi di dati sulle prestazioni di ogni progetto. Poi, hanno testato la loro versione finale in un giardino all’aperto.
Il prototipo più performante ha funzionato bene sia in condizioni asciutte che in un ambiente saturo d’acqua. Il segreto del suo successo: la sua geometria. Invece di utilizzare un design tradizionale, in cui l’anodo e il catodo sono paralleli l’uno all’altro, la cella a combustibile vincente ha sfruttato un design perpendicolare.
Un design innovativo per prestazioni ottimali
Realizzato in feltro di carbonio (un conduttore abbondante ed economico per catturare gli elettroni dei microbi), l’anodo è orizzontale rispetto alla superficie del suolo. Realizzato in metallo conduttivo inerte, il catodo si trova verticalmente sopra l’anodo.
Sebbene l’intero dispositivo sia sepolto, il design verticale garantisce che l’estremità superiore sia a filo con la superficie del suolo. Un cappuccio stampato in 3D riposa sulla parte superiore del dispositivo per impedire che detriti cadano all’interno. E un foro sulla parte superiore e una camera d’aria vuota che corre lungo il catodo consentono un flusso d’aria costante.
L’estremità inferiore del catodo rimane nascosta in profondità sotto la superficie, garantendo che rimanga idratata dal suolo circostante umido, anche quando il suolo superficiale si asciuga alla luce del sole. I ricercatori hanno anche rivestito parte del catodo con materiale impermeabilizzante per consentirgli di respirare durante un’alluvione. E, dopo un’alluvione potenziale, il design verticale consente al catodo di asciugarsi gradualmente anziché tutto in una volta.
In media, la cella a combustibile risultante ha generato 68 volte più energia di quella necessaria per far funzionare i suoi sensori. È stata anche abbastanza robusta da resistere a grandi variazioni di umidità del suolo, da leggermente asciutto (41% di acqua in volume) a completamente sommerso.
Un futuro accessibile per il calcolo
I ricercatori affermano che tutti i componenti per la loro cella a combustibile microbica del suolo possono essere acquistati in un negozio di ferramenta locale. Successivamente, prevedono di sviluppare una cella a combustibile microbica del suolo realizzata con materiali completamente biodegradabili. Entrambi i progetti evitano catene di approvvigionamento complicate e l’uso di minerali di conflitto.
“Con la pandemia di COVID-19, tutti siamo diventati familiari con il modo in cui una crisi può interrompere la catena di approvvigionamento globale per l’elettronica”, ha detto il coautore dello studio Josiah Hester, ex membro della facoltà della Northwestern ora al Georgia Institute of Technology. “Vogliamo costruire dispositivi che utilizzino catene di approvvigionamento locali e materiali a basso costo in modo che il calcolo sia accessibile a tutte le comunità.”
