یک پیل سوختی جدید، انرژی را از میکروب‌های ساکن در خاک به حسگرهای تولید نیرو می‌رساند و انرژی تقریباً نامحدودی را از خاک می‌گیرد.
به گزارش ایسنا، تیمی از دانشگاه نورث وسترن راه جدیدی را برای تولید الکتریسیته نشان داده‌اند. آنها دستگاهی به اندازه یک کتاب را که روی خاک قرار می‌گیرد و نیرویی را که در اثر شکستن خاک توسط میکروب‌ها ایجاد می‌شود(تا زمانی که کربن در خاک وجود داشته باشد) جمع‌آوری می‌کند، معرفی کردند.
به نقل از نیو اطلس، سلول‌های سوختی میکروبی، همانطور که از نام‌شان پیداست، بیش از ۱۰۰ سال است که وجود دارند. آنها کمی شبیه به یک باتری، با آند، کاتد و الکترولیت کار می‌کنند، اما به جای گرفتن الکتریسیته از منابع شیمیایی، با باکتری‌هایی کار می‌کنند که به طور طبیعی الکترون‌ها را به رساناهای مجاور اهدا می‌کنند.
این پیل سوختی تازه اختراع شده برای تولید انرژی به میکروب‌های طبیعی موجود در خاک که در همه جا حاضر هستند، متکی است.
این دستگاه که از خاک نیرو می‌گیرد، جایگزین مناسبی برای باتری‌های حسگرهای زیرزمینی است که برای کشاورزی دقیق استفاده می‌شوند.
پیل سوختی میکروبی(MFC) یا پیل سوختی بیولوژیکی یک سیستم بیوالکتروشیمیایی است که با تقلید از فعالیت باکتری‌ها که در طبیعت انجام می‌شود، جریان الکتریکی تولید می‌کند. سلول سوختی میکروبی نوعی از سیستم سلول‌های سوختی بیوالکروشیمیایی است که جریان الکتریکی را با منحرف کردن الکترون‌های تولید شده از اکسیداسیون میکروبی ترکیبات کاهش یافته(که با نام سوخت یا اهداکننده الکترون نیز شناخته می‌شود) بر روی آند به ترکیبات اکسیدکننده(که به عامل اکسیدکننده یا قبول کننده الکترون نیز معروف است) بر روی کاتد از طریق یک مدار الکتریکی خارجی تولید می‌کند.
پیل‌های سوختی را می‌توان به دو دسته کلی «با واسطه و بدون واسطه» تقسیم کرد. اولین پیل‌های سوختی که در اوایل قرن بیستم به نمایش درآمدند، از یک واسطه استفاده کردند که یک ماده شیمیایی بود که الکترون‌ها را از باکتری‌های موجود در سلول به آند منتقل می‌کند. پیل‌های سوختی بدون واسطه در دهه ۱۹۷۰ ظهور کردند. در این نوع پیل سوختی، باکتری‌ها معمولاً دارای پروتئین‌های فعال الکتروشیمیایی مانند سیتوکروم‌ها بر روی غشای خارجی خود هستند که می‌توانند الکترون‌ها را مستقیماً به آند منتقل کنند.
پژوهشگران دانشگاه نورث وسترن دوام پیل سوختی قدرتمند خود را خاطرنشان می‌کنند و توانایی آن را در مقاومت در برابر شرایط مختلف محیطی از جمله خاک خشک و مناطق مستعد سیل نشان داده‌اند.
موضوع تاکنون تامین آب و اکسیژن آنها در حالی که در خاک مدفون شده‌اند، بوده است. بیل ین، فارغ التحصیل دانشگاه نورث وسترن و سرپرست این پروژه می‌گوید: اگرچه این دستگاه‌ها بیش از یک قرن است که به عنوان یک مفهوم وجود داشته‌اند، اما عملکرد نامطمئن و توان خروجی کم آنها تلاش‌ها برای استفاده عملی از آنها را به ویژه در شرایط کم رطوبت متوقف کرده بود.
بنابراین این تیم شروع به ایجاد چندین طرح جدید با هدف دسترسی مداوم سلول‌ها به اکسیژن و آب کرد و با طرحی به شکل کارتریج که به صورت عمودی روی یک دیسک افقی قرار دارد، به موفقیت دست یافتند.
آند نمدی کربن دیسکی شکل به صورت افقی در پایین دستگاه قرار دارد و در اعماق خاک می‌رود، جایی که می‌تواند الکترون‌ها را در حالی که میکروب‌ها خاک را تجزیه می‌کنند، جذب کند.
در همین حال، کاتد فلزی رسانا به صورت عمودی در بالای آند قرار دارد. بنابراین قسمت پایین به اندازه کافی به عمق می‌رود که به رطوبت خاک عمیق دسترسی داشته باشد، در حالی که قسمت بالایی همسطح با سطح زمین قرار می‌گیرد و یک شکاف هوای تازه در تمام طول الکترود می‌گذرد و یک کلاهک محافظ در بالا مانع از ریزش خاک و زباله می‌شود و دسترسی کاتد به اکسیژن را قطع می‌کند. بخشی از کاتد نیز با یک ماده عایق آب پوشانده شده است، به طوری که هنگام حضور آب، هنوز یک بخش آبگریز از کاتد در تماس با اکسیژن است تا پیل سوختی کار کند.
پژوهشگران از مواد ضد آب بر روی سطح کاتد استفاده کردند که به آن اجازه می‌دهد در هنگام سیلاب نیز کار کند و خشک شدن تدریجی پس از غوطه‌وری در آب را تضمین می‌کند.
جورج ولز، نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید: این میکروب‌ها همه جا هستند. آنها در حال حاضر در همه جا در خاک زندگی می‌کنند و ما می‌توانیم از سیستم‌های مهندسی شده بسیار ساده برای گرفتن برق از آنها استفاده کنیم. ما قرار نیست کل شهرها را با این انرژی تامین کنیم، اما می‌توانیم مقادیر بسیار کمی از انرژی را برای سوخت‌رسانی به کاربردهای لازم و کم‌مصرف جذب کنیم.
ضمن اینکه مواد شیمیایی باقی مانده از باتری‌ها می‌توانند به طور بالقوه به خاک نفوذ کنند. در حالی که این فناوری جدید یک جایگزین سازگار با محیط زیست است که از نگرانی‌های زیست محیطی مرتبط با اجزای خطرناک باتری‌ها می‌کاهد و قابل احتراق نیز نیست.
این طرح در آزمایش به طور مداوم در سطوح مختلف رطوبت خاک، از کاملاً در آب فرو رفته تا نسبتا خشک، موفق عمل کرد و به طور متوسط، حدود ۶۸ برابر بیشتر از آنچه که حسگرهای آن برای کارکردن نیاز دارند، انرژی تولید کرد. همچنین آنقدر قوی بود که از تغییرات شدید رطوبت خاک جان سالم به در برد.
مانند سایر منابع تولید برق بلندمدت مانند باتری‌های الماس بتاولتائیک که با استفاده از زباله‌های هسته‌ای ساخته می‌شوند، میزان برق تولید شده در اینجا برای راه‌اندازی یک خودرو یا تامین انرژی یک گوشی هوشمند نیست، بلکه بیشتر برای تامین انرژی حسگرهای کوچک استفاده می‌شود که می‌توانند در طولانی مدت بدون نیاز به تعویض منظم باتری کار کنند.
علاوه بر این، پژوهشگران حسگر خاک را به یک آنتن کوچک وصل کردند تا امکان ارتباط بی‌سیم را فراهم کند. این کار به پیل سوختی اجازه داد تا با انعکاس سیگنال‌های فرکانس رادیویی موجود، داده‌ها را به یک ایستگاه نزدیک منتقل کند.
قابل توجه است که این پیل سوختی خاکی با ضریب ۱۲۰ درصد عملکرد بهتری از فناوری مشابه دارد.
بیل ین می‌گوید: اگر آینده‌ای را با تریلیون‌ها دستگاه تصور کنیم، نمی‌توانیم همه آنها را از لیتیوم، فلزات سنگین و سمومی که برای محیط زیست خطرناک هستند بسازیم. ما باید جایگزین‌هایی پیدا کنیم که بتوانند مقادیر کم انرژی را برای تامین انرژی یک شبکه غیرمتمرکز از دستگاه‌ها فراهم کنند. ما در جستجوی راه حل، به سلول‌های سوختی میکروبی خاک روی آوردیم که از میکروب‌های ویژه برای تجزیه خاک و استفاده از آن مقدار کم انرژی استفاده می‌کنند. تا زمانی که کربن آلی در خاک وجود داشته باشد تا میکروب‌ها تجزیه شوند، سلول سوختی ما به طور بالقوه می‌تواند دوام بیاورد.
بنابراین، حسگرهایی مانند این می‌توانند برای کشاورزانی که به دنبال نظارت بر عناصر مختلف خاک شامل رطوبت، مواد مغذی، آلاینده‌ها و غیره هستند، شود و برای استفاده از یک رویکرد کشاورزی دقیق مبتنی بر فناوری بسیار مفید باشد. بنابراین اگر چندین دستگاه از این نوع را در اطراف مزرعه خود قرار دهید، آنها می‌توانند سال‌ها و شاید حتی چندین دهه برای شما داده تولید کنند.
گفتنی است که طبق گفته تیم تحقیقاتی، تمام اجزای این دستگاه را می‌توان از فروشگاه‌های سخت افزاری خریداری کرد. بنابراین هیچ مشکلی در زنجیره تامین یا مواد برای تجاری‌سازی گسترده این محصول وجود ندارد.
این پژوهش در مجله ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies منتشر شده است.
منبع: ایسنا