Investigadores dirigidos por la Universidad Northwestern han desarrollado una pila de combustible que utiliza microbios naturales del suelo para generar electricidad. El dispositivo, aproximadamente del tamaño de un libro de bolsillo, produce pequeñas cantidades de energía capturando la energía liberada cuando estos microorganismos descomponen la materia orgánica de la tierra.
Este sistema impulsado desde el suelo está diseñado para accionar sensores subterráneos utilizados en agricultura de precisión y monitoreo ambiental. Ofrece una alternativa viable a las baterías tradicionales, que contienen materiales tóxicos e inflamables, dependen de complejas cadenas de suministro globales y contribuyen al aumento de los desechos electrónicos.
Sensor de alimentación sin batería
Para demostrar sus capacidades, el equipo utilizó pilas de combustible para operar sensores que miden la humedad del suelo y detectan el tacto. Esta capacidad de detección del tacto puede ayudar a monitorear el movimiento de la vida silvestre, como un animal que cruza un campo. El sistema también incluye una pequeña antena que refleja las señales de radiofrecuencia existentes para enviar datos de forma inalámbrica, manteniendo el consumo de energía extremadamente bajo.
El dispositivo ha demostrado ser fiable en diversas condiciones. Funciona tanto en suelos secos como en ambientes inundados y produce energía más sostenida que sistemas similares, durando alrededor de un 120% más.
El estudio fue publicado Actas de la Asociación de Maquinaria de Computación en Tecnologías Interactivas, Móviles, Usables y Ubicuas. Los investigadores han hecho públicos sus diseños, tutoriales y herramientas de simulación para que otros puedan aprovechar el trabajo.
Por qué los microbios del suelo son importantes para el Internet de las cosas
“La cantidad de dispositivos en Internet de las cosas (IoT) continúa creciendo”, dijo el ex alumno de Northwestern, Bill Yen, quien dirigió el trabajo. “Si imaginamos un futuro con estos billones de dispositivos, no podemos fabricar cada uno de ellos con litio, metales pesados y toxinas que son peligrosas para el medio ambiente. Necesitamos encontrar alternativas que puedan proporcionar menos energía para alimentar una red descentralizada de dispositivos. En busca de una solución, hemos buscado pilas de combustible microbianas del suelo, que utilizan menos energía para alimentar a los microorganismos y menos energía. Mientras haya carbono orgánico en el suelo para que los microbios lo descompongan, la pila de combustible potencialmente puede durar para siempre.
Las pilas de combustible microbianas, a menudo llamadas MFC, funcionan un poco como baterías. Incluyen un ánodo, un cátodo y un electrolito, pero en lugar de reacciones químicas, dependen de bacterias que liberan electrones de forma natural. Cuando estos electrones se mueven a través del sistema, crean una corriente eléctrica.
“Estos microbios son ubicuos; ya viven en el suelo en todas partes”, dijo George Wells, de Northwestern, autor principal del estudio. “Podemos utilizar sistemas de ingeniería muy simples para capturar su electricidad. No vamos a alimentar ciudades enteras con esta energía. Pero podemos capturar cantidades diminutas de energía para alimentar aplicaciones prácticas de bajo consumo”.
Desafíos de los sensores alimentados por energía solar y por batería
La agricultura de precisión se basa en grandes redes de sensores que rastrean continuamente las condiciones del suelo, como la humedad, los nutrientes y los contaminantes. Esta información ayuda a los agricultores a tomar decisiones más informadas y mejorar el rendimiento de los cultivos.
Pero alimentar esos sensores es un gran desafío. Las baterías eventualmente se agotan y deben ser reemplazadas, lo cual no es práctico en granjas grandes. Los paneles solares también pueden ser poco fiables porque se ensucian, requieren luz solar y ocupan espacio.
“Si quieres colocar un sensor en la naturaleza, en una granja o en un humedal, estás obligado a colocarle baterías o recolectar energía solar”, dijo Yen. “Los paneles solares no funcionan bien en ambientes sucios porque se cubren de suciedad, no funcionan cuando no hay sol y ocupan mucho espacio. Las baterías también son un desafío porque se quedan sin energía. Los agricultores no quieren recorrer una granja de 100 acres para cambiar las baterías con regularidad o quitar el polvo de los paneles solares”.
En cambio, los investigadores se centraron en recolectar energía directamente del suelo, convirtiendo el medio ambiente en una fuente de energía.
¿Por qué las pilas de combustible microbianas se quedaron cortas antes?
Las pilas de combustible microbianas basadas en el suelo existen desde 1911, pero han tenido dificultades para ofrecer un rendimiento constante. Estos sistemas requieren tanto humedad como oxígeno para funcionar correctamente, lo que puede ser difícil de mantener bajo tierra, especialmente en condiciones secas.
“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 ponerlos en uso práctico, especialmente en condiciones de baja humedad”, dijo Yen.
Un nuevo diseño mejora el rendimiento
Para resolver estos problemas, el equipo pasó dos años desarrollando y probando diferentes diseños. Compararon cuatro versiones y recopilaron nueve meses de datos de rendimiento antes de seleccionar un prototipo final, que probaron al aire libre.
Este avance proviene de un cambio en la geometría. En lugar de colocar el ánodo y el cátodo paralelos entre sí, el nuevo diseño los coloca perpendiculares.
El ánodo, fieltro de carbono (un conductor barato y abundante para capturar electrones en microorganismos), se encuentra horizontalmente debajo del suelo. El cátodo, fabricado de un metal conductor, se extiende verticalmente hasta la superficie.
Este marco ayuda a resolver varios problemas a la vez. La parte superior del dispositivo está expuesta al aire, lo que garantiza un suministro constante de oxígeno. Al mismo tiempo, la parte inferior queda enterrada en suelo húmedo, manteniendo la hidratación incluso en condiciones secas. Una tapa protectora evita que entren residuos, mientras que una pequeña cámara de aire permite el flujo de aire.
El diseño mejora la resiliencia durante las inundaciones. Un revestimiento impermeable permite que el cátodo siga funcionando y la disposición vertical le permite secarse lentamente una vez que el agua desaparece.
Resultados potentes en situaciones del mundo real
El prototipo final funcionó bien en una amplia gama de condiciones de suelo, desde suelos moderadamente secos (41% de agua por volumen) hasta ambientes completamente sumergidos. En promedio, generó 68 veces más energía de la que necesitaba para operar sus sensores.
Estos resultados sugieren que el sistema es lo suficientemente robusto para su implementación en el mundo real en campos agrícolas o entornos naturales.
Investigación en curso y perspectivas de futuro
Desde que se publicó la investigación por primera vez, el interés en las pilas de combustible microbianas ha seguido creciendo. Los investigadores están trabajando para mejorar la eficiencia, la estabilidad y los materiales, incluida la exploración de diseños biodegradables que puedan reducir aún más el impacto ambiental.
El equipo de Northwestern señala que todas las piezas de su sistema se pueden obtener a partir de materiales de hardware comunes. Ahora su objetivo es crear una versión totalmente biodegradable que evite cadenas de suministro complejas y minerales conflictivos.
“Con la pandemia de COVID-19, todos nos hemos familiarizado con cómo una crisis puede alterar las cadenas de suministro globales”, dijo el coautor del estudio Josiah Hester, ex miembro de la facultad de Northwestern en el Instituto de Tecnología de Georgia. “Queremos crear dispositivos que utilicen cadenas de suministro locales y materiales de bajo costo para que la informática sea accesible para todas las comunidades”.
Si bien la tecnología no está destinada a alimentar sistemas grandes, podría desempeñar un papel importante en el soporte de dispositivos de bajo consumo en la agricultura, el monitoreo ambiental y el Internet de las cosas en general.
punto principal
- Los científicos han desarrollado una nueva pila de combustible que utiliza microbios naturales del suelo para generar electricidad.
- El sistema puede alimentar sensores subterráneos que rastrean la humedad del suelo e incluso detectan movimiento o tacto.
- Continúa funcionando en una amplia gama, desde suelos secos hasta ambientes completamente inundados.
- Esta tecnología podría ofrecer una alternativa más limpia a las baterías para sensores utilizados en agricultura de precisión
“Computación impulsada por el suelo: una guía para ingenieros para el diseño práctico de pilas de combustible microbianas del suelo” recibió el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias (número de premio CNS-2038853), la Iniciativa de Investigación sobre Agricultura y Alimentos (número de premio 2023-67021-40628). Fundación, VMware Research y 3M.
