Wetenschappers ontwikkelen een nieuwe, door de aarde aangedreven brandstofcel die eeuwig meegaat

By | February 4, 2024

Onderzoekers van de Northwestern University hebben een door bodemmicroben aangedreven brandstofcel onthuld die aanzienlijk beter presteert dan vergelijkbare technologieën en een duurzame oplossing biedt voor het aandrijven van energiezuinige apparaten. De ontwerpen zijn volledig openbaar beschikbaar voor wijdverbreid gebruik. De 3D-geprinte dop van de brandstofcel steekt boven de grond uit. De dop houdt vuil uit het apparaat en zorgt voor luchtcirculatie. Fotocredit: Bill Yen/Northwestern University

Een team van onderzoekers onder leiding van de Northwestern University heeft een nieuwe brandstofcel ontwikkeld die energie haalt uit microben die in het vuil leven.

De volledig op de grond aangedreven technologie heeft ongeveer het formaat van een standaard paperbackboek en zou ondergrondse sensoren kunnen aandrijven die worden gebruikt in precisielandbouw en groene infrastructuur. Dit zou potentieel een duurzaam, hernieuwbaar alternatief kunnen bieden voor batterijen, die giftige, ontvlambare chemicaliën bevatten die in de grond lekken, beladen zijn met controversiële toeleveringsketens en bijdragen aan het steeds groter wordende e-waste-probleem.

Om de nieuwe brandstofcel te testen, gebruikten onderzoekers deze om sensoren aan te sturen die het bodemvocht meten en aanraking detecteren, een mogelijkheid die nuttig zou kunnen zijn voor het volgen van passerende dieren. Om draadloze communicatie mogelijk te maken, hebben de onderzoekers de sensor op de grond ook uitgerust met een kleine antenne om gegevens naar een naburig basisstation te verzenden door bestaande radiofrequentiesignalen te reflecteren.

Niet alleen werkte de brandstofcel zowel in natte als droge omstandigheden, de prestaties presteerden 120% beter dan vergelijkbare technologieën.

Het onderzoek wordt vandaag (12 januari) gepubliceerd in de Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable, and Ubiquitous Technologies. De auteurs van het onderzoek stellen ook alle ontwerpen, tutorials en simulatietools beschikbaar voor het publiek, zodat anderen het onderzoek kunnen gebruiken en erop kunnen voortbouwen.

“Het aantal Internet of Things (IoT)-apparaten groeit voortdurend”, zegt Northwestern-alumnus Bill Yen, die het werk leidde. “Als we ons een toekomst voorstellen met biljoenen van deze apparaten, kunnen we ze niet allemaal bouwen uit lithium, zware metalen en milieugevaarlijke gifstoffen. We moeten alternatieven vinden die kleine hoeveelheden energie kunnen leveren om een ​​gedistribueerd netwerk van apparaten van stroom te voorzien. Op zoek naar oplossingen hebben we gekeken naar microbiële brandstofcellen in de bodem, die gespecialiseerde microben gebruiken om de bodem af te breken en deze kleine hoeveelheid energie te gebruiken om sensoren aan te drijven. Zolang er organische koolstof in de bodem zit die de microben kunnen afbreken, kan de brandstofcel potentieel eeuwig meegaan.”

Bill Yen test een brandstofcel

Bill Yen, de hoofdauteur van het onderzoek, begroef de brandstofcel tijdens tests in het laboratorium van de Northwestern University. Fotocredit: Northwestern University

“Deze microben zijn alomtegenwoordig; Ze leven al overal in de bodem”, zegt George Wells van Northwestern, senior auteur van het onderzoek. “We kunnen heel eenvoudig ontworpen systemen gebruiken om hun stroom te detecteren. Met deze energie kunnen we geen hele steden van stroom voorzien. Maar we kunnen kleine hoeveelheden energie oogsten om praktische toepassingen met laag vermogen aan te drijven.”

Wells is universitair hoofddocent civiele techniek en milieutechniek aan de McCormick School of Engineering in Northwestern. Nu een Ph.D. Als student aan Stanford University begon Yen dit project terwijl hij als student in het laboratorium van Wells werkte.

Oplossingen voor een vuile klus

De afgelopen jaren hebben boeren over de hele wereld steeds meer precisielandbouw toegepast als strategie om de gewasopbrengsten te verbeteren. De technologiegedreven aanpak is gebaseerd op het meten van nauwkeurige niveaus van vocht, voedingsstoffen en verontreinigende stoffen in de bodem om beslissingen te nemen die de gezondheid van gewassen verbeteren. Dit vereist een wijdverspreid netwerk van elektronische apparaten om voortdurend milieugegevens te verzamelen.

“Als je een sensor in het wild, op een boerderij of in een moerasgebied wilt inzetten, moet je een batterij installeren of zonne-energie oogsten”, zegt Yen. “Zonnepanelen werken niet goed in vuile omgevingen omdat ze bedekt raken met vuil, niet werken als de zon niet schijnt en veel ruimte in beslag nemen.” Batterijen vormen ook een uitdaging omdat ze geen energie meer hebben . Boeren gaan niet rondlopen op een boerderij van 40 hectare en regelmatig batterijen vervangen of zonnepanelen afstoffen.”

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, vroegen Wells, Yen en hun medewerkers zich af of ze in plaats daarvan energie uit de bestaande omgeving konden oogsten. “We zouden energie kunnen halen uit de bodem die boeren al monitoren,” zei Yen.

“Inspanningen belemmerd”

Toen ze in 1911 voor het eerst werden gebruikt, functioneren op de bodem gebaseerde microbiële brandstofcellen (MFC’s) als een batterij: met een anode, een kathode en een elektrolyt. Maar in plaats van chemicaliën te gebruiken om elektriciteit op te wekken, oogsten MFC’s elektriciteit van bacteriën die op natuurlijke wijze elektronen afgeven aan nabijgelegen geleiders. Wanneer deze elektronen van de anode naar de kathode stromen, ontstaat er een circuit.

Grondaangedreven brandstofcel

De brandstofcel, bedekt met vuil nadat hij voor onderzoek uit de grond was gehaald. Fotocredit: Bill Yen/Northwestern University

Om microbiële brandstofcellen echter goed te laten functioneren, moeten ze gehydrateerd en zuurstofrijk blijven – wat moeilijk is als ze ondergronds in droge grond worden begraven.

“Hoewel MFC’s als concept al meer dan een eeuw bestaan, hebben hun onbetrouwbare prestaties en lage output de inspanningen om ze praktisch in te zetten belemmerd, vooral in omstandigheden met lage luchtvochtigheid,” zei Yen.

Winnende geometrie

Gezien deze uitdagingen begonnen Yen en zijn team aan een twee jaar durende reis om een ​​praktische, betrouwbare MFC op de grond te ontwikkelen. Zijn expeditie bestond uit het creëren – en vergelijken – van vier verschillende versies. Eerst verzamelden de onderzoekers gedurende in totaal negen maanden gegevens over de prestaties van elk ontwerp. Vervolgens testten ze hun definitieve versie in een buitentuin.

Het best presterende prototype presteerde goed in zowel droge als natte omstandigheden. Het geheim van zijn succes: zijn geometrie. In plaats van een traditioneel ontwerp te gebruiken waarbij de anode en kathode evenwijdig aan elkaar zijn, gebruikte de winnende brandstofcel een loodrecht ontwerp.

De anode is gemaakt van koolstofvilt (een goedkope, overvloedige geleider voor het opvangen van de elektronen van microben) en ligt horizontaal ten opzichte van het grondoppervlak. De kathode is gemaakt van een inert, geleidend metaal en zit verticaal op de anode.

Hoewel het hele apparaat ingegraven is, zorgt het verticale ontwerp ervoor dat de bovenkant gelijk ligt met het grondoppervlak. Een 3D-geprinte dop zit bovenop het apparaat en voorkomt dat er vuil naar binnen valt. En een gat aan de bovenkant en een lege luchtkamer langs de kathode zorgen voor een soepele luchtstroom.

Het onderste uiteinde van de kathode blijft diep onder het oppervlak ingebed en zorgt ervoor dat deze gehydrateerd blijft door de vochtige omringende grond – zelfs als de oppervlaktegrond uitdroogt in zonlicht. De onderzoekers bedekten ook een deel van de kathode met waterdicht materiaal, zodat deze tijdens een overstroming kon ademen. En na een mogelijke overstroming zorgt het verticale ontwerp ervoor dat de kathode geleidelijk uitdroogt in plaats van in één keer.

Gemiddeld genereerde de resulterende brandstofcel 68 keer meer elektriciteit dan nodig was om de sensoren van stroom te voorzien. Het was ook robuust genoeg om grote veranderingen in bodemvocht te weerstaan ​​- van enigszins droog (41% water per volume) tot volledig ondergedompeld.

Maak computers toegankelijk

De onderzoekers zeggen dat alle componenten voor hun op de grond gebaseerde MFC bij een plaatselijke bouwmarkt kunnen worden gekocht. Vervolgens zijn ze van plan een bodemgebaseerde MFC te ontwikkelen, gemaakt van volledig biologisch afbreekbare materialen. Beide ontwerpen omzeilen ingewikkelde toeleveringsketens en vermijden het gebruik van conflictmineralen.

“Met de

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *