Pesquisadores liderados pela Northwestern University desenvolveram uma célula de combustível que gera eletricidade usando micróbios encontrados naturalmente no solo. O dispositivo, do tamanho aproximado de um livro de bolso, produz uma pequena quantidade de energia ao capturar a energia liberada quando esses microrganismos decompõem a matéria orgânica da sujeira.
Este sistema movido a solo foi projetado para operar sensores subterrâneos usados em agricultura de precisão e monitoramento ambiental. Oferece uma alternativa potencial às baterias tradicionais, que contêm materiais tóxicos e inflamáveis, dependem de cadeias de abastecimento globais complexas e contribuem para o aumento do lixo eletrónico.
Alimentação do sensor sem baterias
Para demonstrar suas capacidades, a equipe usou uma célula de combustível para alimentar sensores que medem a umidade do solo e detectam o toque. Esta capacidade de sentir o toque pode ajudar a rastrear os movimentos da vida selvagem, como animais atravessando um campo. O sistema também inclui uma pequena antena que envia dados através de uma rede sem fio, espelhando os sinais de radiofrequência existentes, resultando em um consumo de energia muito baixo.
O dispositivo provou ser confiável em uma ampla variedade de condições. Funcionou tanto em solo seco como em condições inundadas e produziu mais energia sustentada do que sistemas semelhantes e durou aproximadamente 120% mais.
O estudo foi publicado em Procedimentos da Associação de Máquinas de Computação em Tecnologias Interativas, Móveis, Vestíveis e Ubíquas. Os pesquisadores também publicaram seus projetos, tutoriais e ferramentas de modelagem para que outros possam desenvolver o trabalho.
Por que os micróbios do solo são importantes para a Internet das Coisas
“O número de dispositivos de Internet das Coisas (IoT) está em constante crescimento”, disse Bill Yen, graduado da Northwestern, que liderou o trabalho. “Se imaginarmos um futuro com trilhões desses dispositivos, não poderemos construir cada um deles com lítio, metais pesados e toxinas que são perigosas para o meio ambiente. Precisamos encontrar alternativas que possam fornecer uma pequena quantidade de energia para alimentar uma rede descentralizada de dispositivos. Em nossa busca por soluções, olhamos para células de combustível microbianas poluentes, que usam micróbios especiais para decompor o solo e usam essa pequena quantidade de energia para alimentar sensores. Contanto que haja carbono orgânico no solo para os micróbios quebrarem para baixo, a célula de combustível pode potencialmente funcionar para sempre.”
As células de combustível microbianas, muitas vezes chamadas de MFCs, funcionam como uma bateria. Eles incluem um ânodo, um cátodo e um eletrólito, mas em vez de reações químicas, dependem de bactérias que liberam elétrons naturalmente. À medida que esses elétrons se movem pelo sistema, eles criam uma corrente elétrica.
“Esses micróbios são onipresentes; eles já vivem no solo em todos os lugares”, disse George Wells, da Northwestern, autor sênior do estudo. “Podemos usar sistemas de engenharia muito simples para capturar sua eletricidade. Não vamos abastecer cidades inteiras. Mas podemos capturar pequenas quantidades de energia para abastecer aplicações práticas e de baixo consumo.”
Problemas com sensores solares e alimentados por bateria
A agricultura de precisão depende de grandes redes de sensores que monitorizam constantemente as condições do solo, tais como humidade, nutrientes e poluentes. Esses dados ajudam os agricultores a tomar decisões mais informadas e a aumentar os rendimentos.
Mas alimentar esses sensores é um problema sério. As baterias esgotam-se com o tempo e precisam ser substituídas, o que é impraticável em grandes fazendas. Os painéis solares também podem não ser confiáveis porque ficam sujos, requerem luz solar e ocupam espaço.
“Se você quiser colocar um sensor na natureza, em uma fazenda ou em um pântano, terá que colocar uma bateria nele ou coletar energia solar”, disse Yen. “Os painéis solares não funcionam bem em ambientes sujos porque ficam cobertos de sujeira, não funcionam quando o sol não está brilhando e ocupam muito espaço. As baterias também são complicadas porque ficam sem energia. Os agricultores não vão andar por uma fazenda de 100 acres para trocar regularmente as baterias ou tirar a poeira dos painéis solares.”
Em vez disso, os investigadores concentraram-se na recolha de energia diretamente do próprio solo, transformando o ambiente numa fonte de energia.
Por que as primeiras células de combustível microbianas falharam?
As células de combustível microbianas baseadas no solo existem desde 1911, mas têm lutado para oferecer um desempenho consistente. Esses sistemas precisam de umidade e oxigênio para funcionar adequadamente, o que pode ser difícil de manter no subsolo, especialmente em condições secas.
“Embora o conceito de MFCs exista há mais de um século, a sua operação pouco confiável e a baixa potência dificultam o seu uso prático, especialmente em condições de baixa umidade”, disse Yen.
O novo design melhora o desempenho
Para resolver esses problemas, a equipe passou dois anos desenvolvendo e testando diferentes designs. Eles compararam quatro versões e coletaram nove meses de dados de desempenho antes de escolherem o protótipo final, que testaram ao ar livre.
A descoberta ocorreu graças a uma mudança na geometria. Em vez de colocar o ânodo e o cátodo paralelos entre si, o novo design os coloca perpendicularmente.
Um ânodo feito de feltro de carbono (um condutor de captura de elétrons abundante e de baixo custo para micróbios) fica horizontalmente abaixo do solo. O cátodo, feito de metal condutor, estende-se verticalmente até a superfície.
Tal estrutura ajuda a resolver vários problemas ao mesmo tempo. A parte superior do dispositivo permanece aberta ao ar, o que garante um fornecimento estável de oxigênio. Ao mesmo tempo, a parte inferior permanece enterrada no solo úmido, mantendo a hidratação mesmo em condições de seca. Uma tampa protetora evita a entrada de detritos e uma pequena câmara de ar garante o fluxo de ar.
O design também aumenta a estabilidade durante inundações. O revestimento impermeável permite que o cátodo continue a funcionar e a posição vertical ajuda-o a secar gradualmente após a saída da água.
Resultados sólidos em condições do mundo real
O protótipo final teve um bom desempenho em uma ampla variedade de condições de solo, desde solo moderadamente seco (41% de água por volume) até ambientes totalmente submersos. Em média, produz 68 vezes mais energia do que a necessária para operar os sensores.
Estes resultados sugerem que o sistema é robusto o suficiente para implantação no mundo real em campos agrícolas ou ambientes naturais.
Pesquisa em andamento e potencial futuro
Desde que o estudo foi publicado pela primeira vez, o interesse em células de combustível microbianas continuou a crescer. Os investigadores estão a trabalhar para melhorar a eficiência, a estabilidade e os materiais, incluindo o estudo de designs biodegradáveis que possam reduzir ainda mais o impacto ambiental.
A equipe da Northwestern observa que todas as partes do seu sistema podem ser feitas de materiais de hardware comuns. Procuram agora criar versões totalmente biodegradáveis que evitem cadeias de abastecimento complexas e minerais de conflito.
“Com a pandemia da COVID-19, todos nós nos familiarizamos com a forma como uma crise pode perturbar a cadeia global de fornecimento de eletrônicos”, disse o coautor do estudo Josiah Hester, ex-membro do corpo docente da Northwestern que agora trabalha no Georgia Institute of Technology. “Queremos criar dispositivos que utilizem cadeias de abastecimento locais e materiais de baixo custo para tornar a computação acessível a todas as comunidades”.
Embora a tecnologia não se destine a alimentar grandes sistemas, poderá desempenhar um papel importante no apoio a dispositivos de baixo consumo de energia na agricultura, na monitorização ambiental e na expansão da Internet das Coisas.
Pontos-chave
- Cientistas criaram uma nova célula de combustível que usa micróbios naturais do solo para produzir eletricidade
- O sistema pode alimentar sensores subterrâneos que rastreiam a umidade do solo e até detectam movimento ou toque
- Continua a funcionar numa ampla variedade de condições, desde solo seco até inundação total
- Esta tecnologia poderia oferecer uma alternativa mais limpa às baterias para sensores usados na agricultura de precisão
A pesquisa, intitulada Soil-Based Computing: An Engineer’s Guide to Practical Soil Microbial Fuel Cell Design, foi apoiada pela National Science Foundation (prêmio número CNS-2038853), pela Agriculture and Food Research Initiative (prêmio número 2023-67021-40628) do Instituto Nacional de Alimentos e Agricultura do Departamento de Agricultura dos EUA, da Fundação Alfred P. Sloan, da VMware Research e da 3M.
