Un gruppo di ricercatori della Northwestern University ha sviluppato una cella a combustibile che genera elettricità utilizzando i microbi naturalmente presenti nel suolo. Il dispositivo, delle dimensioni di un libro tascabile, produce piccole quantità di energia catturando l’energia rilasciata quando questi microrganismi decompongono la materia organica nel terreno.
Questo sistema alimentato dal terreno è progettato per far funzionare sensori sotterranei utilizzati nell’agricoltura di precisione e nel monitoraggio ambientale. Offre una potenziale alternativa alle batterie tradizionali, che contengono materiali tossici e infiammabili, dipendono da complesse catene di approvvigionamento globali e contribuiscono alla crescente produzione di rifiuti elettronici.
Alimentazione dei sensori senza batterie
Per dimostrarne le capacità, il team ha utilizzato la cella a combustibile per azionare sensori che misurano l’umidità del suolo e rilevano il contatto. Questa capacità di rilevamento tattile potrebbe essere utile per monitorare gli spostamenti della fauna selvatica, come ad esempio gli animali che attraversano un campo. Il sistema include anche una piccola antenna che invia i dati in modalità wireless riflettendo i segnali a radiofrequenza esistenti, mantenendo così il consumo energetico estremamente basso.
Il dispositivo si è dimostrato affidabile in un’ampia gamma di condizioni. Ha funzionato sia in terreni asciutti che in ambienti allagati e ha prodotto energia in modo più costante rispetto a sistemi simili, durando circa il 120% in più.
Lo studio è stato pubblicato negli Atti dell’Associazione per le Macchine Computazionali sulle Tecnologie Interattive, Mobili, Indossabili e Ubiquitarie . I ricercatori hanno inoltre reso pubblici i loro progetti, tutorial e strumenti di simulazione, in modo che altri possano basarsi sul lavoro svolto.
Perché i microbi del suolo sono importanti per l’Internet delle cose
“Il numero di dispositivi nell’Internet delle cose (IoT) è in costante crescita”, ha affermato Bill Yen, ex studente della Northwestern University e responsabile del progetto. “Se immaginiamo un futuro con trilioni di questi dispositivi, non possiamo certo costruirli tutti con litio, metalli pesanti e sostanze tossiche pericolose per l’ambiente. Dobbiamo trovare alternative in grado di fornire piccole quantità di energia per alimentare una rete decentralizzata di dispositivi. Nella ricerca di soluzioni, ci siamo rivolti alle celle a combustibile microbiche del suolo, che utilizzano microbi specifici per decomporre il terreno e sfruttare questa piccola quantità di energia per alimentare i sensori. Finché nel terreno è presente carbonio organico che i microbi possono decomporre, la cella a combustibile può potenzialmente durare indefinitamente.”
Le celle a combustibile microbiche, spesso chiamate MFC, funzionano in modo simile a una batteria. Sono composte da un anodo, un catodo e un elettrolita, ma anziché basarsi su reazioni chimiche, sfruttano i batteri che rilasciano naturalmente elettroni. Quando questi elettroni si muovono all’interno del sistema, generano una corrente elettrica.
“Questi microbi sono onnipresenti; vivono già nel terreno ovunque”, ha affermato George Wells della Northwestern University, autore senior dello studio. “Possiamo utilizzare sistemi ingegnerizzati molto semplici per catturare la loro elettricità. Non alimenteremo intere città con questa energia, ma possiamo catturare quantità minime di energia per alimentare applicazioni pratiche a basso consumo energetico.”
Sfide relative ai sensori alimentati a energia solare e a batteria
L’agricoltura di precisione si basa su ampie reti di sensori che monitorano costantemente le condizioni del suolo, come umidità, nutrienti e contaminanti. Questi dati aiutano gli agricoltori a prendere decisioni più consapevoli e a migliorare le rese dei raccolti.
Ma alimentare questi sensori rappresenta una sfida importante. Le batterie alla fine si scaricano e devono essere sostituite, il che è impraticabile su grandi aziende agricole. Anche i pannelli solari possono essere inaffidabili perché si sporcano, necessitano di luce solare e occupano spazio.
“Se si vuole installare un sensore in un ambiente naturale, in una fattoria o in una zona umida, l’unica alternativa è utilizzare una batteria o sfruttare l’energia solare”, ha affermato Yen. “I pannelli solari non funzionano bene in ambienti sporchi perché si ricoprono di terra, non funzionano quando non c’è il sole e occupano molto spazio. Anche le batterie presentano delle problematiche perché si scaricano. Gli agricoltori non si metteranno certo a sostituire regolarmente le batterie o a spolverare i pannelli solari in una fattoria di 40 ettari.”
I ricercatori si sono invece concentrati sulla raccolta di energia direttamente dal suolo, trasformando l’ambiente in una fonte di energia.
Perché le prime celle a combustibile microbiche hanno fallito
Le celle a combustibile microbiche a base di suolo esistono dal 1911, ma hanno faticato a garantire prestazioni costanti. Questi sistemi necessitano sia di umidità che di ossigeno per funzionare correttamente, condizioni difficili da mantenere sottoterra, soprattutto in ambienti aridi.
“Sebbene il concetto di MFC esista da oltre un secolo, le loro prestazioni inaffidabili e la bassa potenza erogata hanno ostacolato gli sforzi per un loro utilizzo pratico, soprattutto in condizioni di bassa umidità”, ha affermato Yen.
Un nuovo design migliora le prestazioni
Per affrontare questi problemi, il team ha impiegato due anni a sviluppare e testare diversi progetti. Hanno confrontato quattro versioni e raccolto nove mesi di dati sulle prestazioni prima di selezionare un prototipo finale, che hanno poi testato all’aperto.
La svolta è arrivata grazie a un cambiamento di geometria. Invece di posizionare anodo e catodo parallelamente tra loro, il nuovo progetto li posiziona perpendicolarmente.
L’anodo, realizzato in feltro di carbonio (un conduttore economico e abbondante, in grado di catturare gli elettroni dei microbi), si trova orizzontalmente sotto il terreno. Il catodo, costituito da un metallo conduttivo, si estende verticalmente fino alla superficie.
Questa struttura contribuisce a risolvere diversi problemi contemporaneamente. La parte superiore del dispositivo rimane esposta all’aria, garantendo un apporto costante di ossigeno. Allo stesso tempo, la parte inferiore rimane interrata nel terreno umido, mantenendo l’idratazione anche in condizioni di siccità. Un tappo protettivo impedisce l’ingresso di detriti, mentre una piccola camera d’aria permette il passaggio dell’aria.
Il design migliora anche la resistenza in caso di alluvioni. Un rivestimento impermeabile permette al catodo di continuare a funzionare, e la disposizione verticale ne favorisce l’asciugatura graduale dopo il ritiro dell’acqua.
Risultati eccellenti in condizioni reali
Il prototipo finale ha funzionato bene in un’ampia gamma di condizioni del suolo, da terreni moderatamente asciutti (41% di umidità in volume) ad ambienti completamente sommersi. In media, ha generato 68 volte più energia di quella necessaria per alimentare i suoi sensori.
Questi risultati suggeriscono che il sistema è sufficientemente robusto per un’implementazione reale in campi agricoli o ambienti naturali.
Ricerca in corso e potenzialità future
Dalla sua prima pubblicazione, l’interesse per le celle a combustibile microbiche ha continuato a crescere. I ricercatori stanno lavorando per migliorarne l’efficienza, la stabilità e i materiali, esplorando anche soluzioni biodegradabili che potrebbero ridurre ulteriormente l’impatto ambientale.
Il team della Northwestern University sottolinea che tutti i componenti del loro sistema possono essere realizzati con materiali di uso comune. Ora puntano a creare versioni completamente biodegradabili che evitino catene di approvvigionamento complesse e l’utilizzo di minerali provenienti da zone di conflitto.
“Con la pandemia di COVID-19, tutti abbiamo potuto constatare come una crisi possa sconvolgere la catena di approvvigionamento globale dei componenti elettronici”, ha affermato Josiah Hester, coautore dello studio, ex docente della Northwestern University e ora al Georgia Institute of Technology. “Vogliamo realizzare dispositivi che utilizzino catene di approvvigionamento locali e materiali a basso costo, in modo che l’informatica sia accessibile a tutte le comunità”.
Sebbene questa tecnologia non sia pensata per alimentare sistemi di grandi dimensioni, potrebbe svolgere un ruolo importante nel supportare dispositivi a basso consumo energetico in settori quali l’agricoltura, il monitoraggio ambientale e l’Internet delle cose in continua espansione.
Punti chiave
- Gli scienziati hanno creato una nuova cella a combustibile che utilizza microbi presenti naturalmente nel suolo per generare elettricità.
- Il sistema può alimentare sensori sotterranei che monitorano l’umidità del suolo e persino rilevano movimenti o tocchi.
- Continua a funzionare in una vasta gamma di condizioni, dal terreno asciutto agli ambienti completamente allagati.
- Questa tecnologia potrebbe offrire un’alternativa più pulita alle batterie per i sensori utilizzati nell’agricoltura di precisione.
Lo studio, intitolato “Soil-powered computing: The engineer’s guide to practical soil microbial fuel cell design”, è stato finanziato dalla National Science Foundation (numero di sovvenzione CNS-2038853), dall’Agricultural and Food Research Initiative (numero di sovvenzione 2023-67021-40628) del National Institute of Food and Agriculture del Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti (USDA), dalla Alfred P. Sloan Foundation, da VMware Research e da 3M.
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