Un equipo de la Universidad Northwestern ha demostrado una nueva y notable forma de generar electricidad, con un dispositivo del tamaño de un libro de bolsillo que se inserta en el suelo y recolecta la energía creada cuando los microbios descomponen la tierra, mientras haya carbono en el suelo.
Las pilas de combustible microbianas, como se las llama, existen desde hace más de 100 años. Funcionan un poco como una batería, con un ánodo, un cátodo y un electrolito, pero en lugar de extraer electricidad de fuentes químicas, funcionan con bacterias que naturalmente donan electrones a conductores cercanos mientras devoran el suelo.
El problema hasta ahora ha sido mantenerlos abastecidos de agua y oxígeno, mientras están enterrados en la tierra. «Aunque los MFC han existido como concepto durante más de un siglo, su rendimiento poco confiable y su baja potencia de salida han obstaculizado los esfuerzos para hacer un uso práctico de ellos, especialmente en condiciones de baja humedad», dijo Bill Yen, ex alumno de UNW y líder del proyecto.
Entonces, el equipo se propuso crear varios diseños nuevos destinados a brindar a las células acceso continuo a oxígeno y agua, y tuvo éxito con un diseño con forma de cartucho colocado verticalmente sobre un disco horizontal. El ánodo de fieltro de carbono en forma de disco se encuentra horizontalmente en la parte inferior del dispositivo, enterrado profundamente en el suelo, donde puede capturar electrones mientras los microbios digieren la suciedad.
Mientras tanto, el cátodo de metal conductor se encuentra verticalmente encima del ánodo. De este modo, la parte inferior queda lo suficientemente profunda como para tener acceso a la humedad del suelo profundo, mientras que la parte superior queda a ras de la superficie. Un espacio de aire fresco recorre toda la longitud del electrodo y una tapa protectora en la parte superior evita que la suciedad y los residuos caigan y corten el acceso del cátodo al oxígeno. Parte del cátodo también está recubierta con un material impermeabilizante, de modo que cuando se inunda, todavía hay una sección hidrofóbica del cátodo en contacto con el oxígeno para mantener la celda de combustible en funcionamiento.
En las pruebas, este diseño funcionó consistentemente en diferentes niveles de humedad del suelo, desde completamente bajo el agua hasta «algo seco», con solo un 41% de agua por volumen en el suelo. En promedio, generó unas 68 veces más energía de la necesaria para operar sus sistemas de detección de humedad y contacto a bordo, y transmitir datos a través de una pequeña antena a una estación base cercana.
Al igual que con otras fuentes de generación de energía a muy largo plazo, como Baterías de diamante betavoltaicas fabricadas con residuos nucleares., la cantidad de energía generada aquí no es lo suficientemente grande como para hacer funcionar un automóvil o un teléfono inteligente que funciona con tierra. Se trata más bien de alimentar sensores pequeños que puedan funcionar a largo plazo sin necesidad de cambios regulares de batería.
«Si imaginamos un futuro con billones de estos dispositivos, no podemos construir cada uno de ellos con litio, metales pesados y toxinas que son peligrosas para el medio ambiente», afirmó Yen. «Necesitamos encontrar alternativas que puedan proporcionar bajas cantidades de energía para alimentar una red descentralizada de dispositivos. En una búsqueda de soluciones, buscamos celdas de combustible microbianas del suelo, que utilizan microbios especiales para descomponer el suelo y usar esa baja cantidad de energía. «Para alimentar sensores. Mientras haya carbono orgánico en el suelo para que los microbios lo descompongan, la pila de combustible puede durar potencialmente para siempre».
Por lo tanto, sensores como estos podrían ser muy útiles para los agricultores que buscan monitorear diversos elementos del suelo (humedad, nutrientes, contaminantes, etc.) y aplicar un enfoque de agricultura de precisión impulsado por la tecnología. Coloque unas cuantas docenas de estos elementos en su propiedad y deberían ser buenos para generar datos durante años, posiblemente incluso décadas.
Quizás lo mejor aquí es que todos los componentes de este diseño, según el equipo de investigación, se pueden comprar en las estanterías de una ferretería. Por lo tanto, no hay problemas con la cadena de suministro o los materiales entre esta investigación y la comercialización generalizada.
La investigación fue publicada en la revista. Actas de la ACM sobre tecnologías interactivas, móviles, portátiles y ubicuas
Fuente: Northwestern University