Pesquisadores liderados pela Universidade Northwestern desenvolveram uma célula de combustível que gera eletricidade usando micróbios encontrados naturalmente no solo. O dispositivo, com aproximadamente o tamanho de um livro de bolso, produz pequenas quantidades de energia ao capturar a energia liberada quando esses microrganismos decompõem material orgânico no solo.
Este sistema alimentado por solo foi projetado para operar sensores subterrâneos usados na agricultura de precisão e no monitoramento ambiental. Ele oferece uma alternativa potencial às baterias tradicionais, que contêm materiais tóxicos e inflamáveis, dependem de cadeias de suprimentos globais complexas e contribuem para o crescente desperdício eletrônico.
Alimentando Sensores Sem Baterias
Para demonstrar suas capacidades, a equipe usou a célula de combustível para operar sensores que medem a umidade do solo e detectam toque. Essa capacidade de detecção poderia ajudar a monitorar o movimento da vida selvagem, como animais passando por um campo. O sistema também inclui uma pequena antena que envia dados sem fio, refletindo sinais de frequência de rádio existentes, o que mantém o uso de energia extremamente baixo.
O dispositivo provou ser confiável em uma ampla variedade de condições. Funcionou tanto em solo seco quanto em ambientes alagados, e produziu energia de forma mais sustentável do que sistemas similares, durando cerca de 120% mais.
O estudo foi publicado nas Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Os pesquisadores também liberaram publicamente seus designs, tutoriais e ferramentas de simulação para que outros possam desenvolver a partir desse trabalho.
Por Que os Micróbios do Solo São Importantes para a Internet das Coisas
“O número de dispositivos na Internet das Coisas (IoT) está crescendo constantemente”, disse Bill Yen, ex-aluno da Northwestern e líder do trabalho. “Se imaginarmos um futuro com trilhões desses dispositivos, não podemos construir cada um deles com lítio, metais pesados e toxinas que são perigosas para o meio ambiente. Precisamos encontrar alternativas que possam fornecer pequenas quantidades de energia para alimentar uma rede descentralizada de dispositivos. Em busca de soluções, olhamos para as células de combustível microbianas do solo, que usam micróbios especiais para decompor o solo e usam essa energia para alimentar sensores. Enquanto houver carbono orgânico no solo para os micróbios quebrarem, a célula de combustível pode potencialmente durar para sempre.”
As células de combustível microbianas, frequentemente chamadas de MFCs, funcionam de maneira semelhante a uma bateria. Elas incluem um ânodo, um cátodo e um eletrólito, mas em vez de reações químicas, dependem de bactérias que liberam naturalmente elétrons. Quando 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, um dos autores seniores do estudo na Northwestern. “Podemos usar sistemas simples de engenharia para capturar sua eletricidade. Não vamos alimentar cidades inteiras com essa energia. Mas podemos capturar quantidades minúsculas de energia para alimentar aplicações práticas de baixo consumo.”
Desafios com Sensores Alimentados por Solar e Baterias
A agricultura de precisão depende de grandes redes de sensores que rastreiam continuamente condições do solo, como umidade, nutrientes e contaminantes. Esses dados ajudam os agricultores a tomar decisões mais informadas e melhorar os rendimentos das colheitas.
Mas alimentar esses sensores é um grande desafio. As baterias eventualmente se esgotam e precisam ser substituídas, o que é impraticável em grandes fazendas. Os painéis solares também podem ser pouco confiáveis, pois ficam sujos, requerem luz solar e ocupam espaço.
“Se você quiser instalar um sensor na natureza, em uma fazenda ou em um pântano, você está restrito a 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 desafiadoras porque ficam sem energia. Os agricultores não vão circular por uma fazenda de 100 acres para trocar regularmente baterias ou limpar painéis solares.”
Em vez disso, os pesquisadores se concentraram em colher energia diretamente do solo, transformando o ambiente em uma fonte de energia.
Por Que Células de Combustível Microbianas Anteriores Não Foram Eficazes
Células de combustível microbianas baseadas no solo existem desde 1911, mas lutaram para fornecer desempenho consistente. Esses sistemas precisam de umidade e oxigênio para funcionar corretamente, o que pode ser difícil de manter sob a terra, especialmente em condições secas.
“Embora as MFCs existam como conceito há mais de um século, seu desempenho inconsistente e baixa potência elétrica dificultaram os esforços para torná-las práticas, especialmente em condições de baixa umidade”, disse Yen.
Um Novo Design Melhora o Desempenho
Para abordar essas questões, a equipe passou dois anos desenvolvendo e testando diferentes designs. Eles compararam quatro versões e coletaram nove meses de dados de desempenho antes de selecionar um protótipo final, que testaram ao ar livre.
A inovação veio de uma mudança na geometria. Em vez de colocar o ânodo e o cátodo um ao lado do outro, o novo design os posiciona perpendicularmente.
O ânodo, feito de feltro de carbono (um condutor abundante e barato para capturar os elétrons dos micróbios), fica horizontalmente sob o solo. O cátodo, feito de um metal condutor, se estende verticalmente até a superfície.
Essa estrutura ajuda a resolver vários problemas de uma só vez. A parte superior do dispositivo permanece exposta ao ar, garantindo um fornecimento de oxigênio constante. Ao mesmo tempo, a parte inferior fica enterrada em solo úmido, mantendo a hidratação mesmo durante condições secas. Uma tampa protetora evita que detritos entrem, enquanto uma pequena câmara de ar permite a circulação de ar.
O design também melhora a resiliência durante inundação. Um revestimento à prova d’água permite que o cátodo continue funcionando, e o layout vertical ajuda-o a secar gradualmente após a água recuar.
Resultados Fortes em Condições do Mundo Real
O protótipo final teve um bom desempenho em uma ampla variedade de condições do solo, desde solo moderadamente seco (41% de água por volume) até ambientes totalmente submersos. Em média, gerou 68 vezes mais energia do que o necessário para operar seus sensores.
Esses resultados sugerem que o sistema é robusto o suficiente para implantação em campos agrícolas ou ambientes naturais.
Pesquisa Contínua e Potencial Futuro
Desde a publicação do estudo, o interesse em células de combustível microbianas continuou a crescer. Os pesquisadores estão trabalhando para melhorar a eficiência, estabilidade e materiais, incluindo a exploração de designs biodegradáveis que poderiam reduzir ainda mais o impacto ambiental.
A equipe da Northwestern observa que todas as partes de seu sistema podem ser obtidas a partir de materiais comuns em hardware. Agora, eles pretendem criar versões totalmente biodegradáveis que evitem cadeias de suprimento complexas e minerais de conflito.
“Com a pandemia de COVID-19, todos nós nos familiarizamos com como uma crise pode perturbar a cadeia de suprimentos global para eletrônicos”, disse Josiah Hester, coautor do estudo e ex-membro do corpo docente da Northwestern, que agora está no Instituto de Tecnologia da Geórgia. “Queremos construir dispositivos que utilizem cadeias de suprimentos locais e materiais de baixo custo para que a computação seja acessível para todas as comunidades.”
Embora a tecnologia não tenha a intenção de alimentar grandes sistemas, pode desempenhar um papel importante no suporte a dispositivos de baixa energia em agricultura, monitoramento ambiental e na crescente Internet das Coisas.
Pontos Chave
- Cientistas criaram uma nova célula de combustível que usa micróbios do solo para gerar eletricidade
- O sistema pode alimentar sensores subterrâneos que monitoram a umidade do solo e até detectam movimento ou toque
- Continua funcionando em uma ampla gama de condições, desde solo seco até ambientes totalmente alagados
- Esta tecnologia pode oferecer uma alternativa mais limpa às baterias para sensores usados na agricultura de precisão
O estudo, “Computação alimentada pelo solo: O guia do engenheiro para design prático de células de combustível microbianas do solo,” foi apoiado pela National Science Foundation (número do prêmio CNS-2038853), pela Agricultural and Food Research Initiative (número do prêmio 2023-67021-40628) do USDA National Institute of Food and Agriculture, pela Alfred P. Sloan Foundation, VMware Research e 3M.
