U novom znanstvenom proboju, tim s Northwestern Sveučilišta predstavio je inovaciju koja bi mogla iz temelja promijeniti način na koji razmišljamo o energetici i održivosti. Ova nova tehnologija, koja izgleda poput obične knjige, koristi mikrobe iz tla za proizvodnju energije, nudeći revolucionarnu alternativu tradicionalnim baterijama.

Razvijena gorivna ćelija nije samo ekološki prihvatljivija opcija, već i nadilazi postojeće tehnologije po efikasnosti. Sposobnost da radi u različitim uvjetima - bilo da je tlo mokro ili suho - čini je iznimno pouzdanom.

Ovaj izum ima širok spektar primjena. U poljoprivredi, gorivna ćelija može napajati senzore za mjerenje vlažnosti tla, što bi znatno poboljšalo preciznost u poljoprivrednim tehnikama. Također, senzori opremljeni ovom tehnologijom mogu detektirati prisutnost životinja, što otvara nove mogućnosti za praćenje divljih vrsta.

Jedinstvena karakteristika ovog sustava je njegova sposobnost bežične komunikacije. Korištenjem male antene, senzori mogu prenositi podatke do baznih stanica, reflektirajući radiofrekventne signale. Ova funkcija ne samo da povećava dosege primjene, već i smanjuje potrebu za fizičkim ožičenjem u teško pristupačnim područjima.

Ovaj napredak u tehnologiji gorivnih ćelija nije samo značajan korak naprijed u održivim energetskim rješenjima, već pruža i nove mogućnosti za zeleniju infrastrukturu. Studija, objavljena 12. siječnja, ne samo da je pokazala izvanredne rezultate već je i otvorila put drugim istraživačima i inovatorima. Tim je odlučio podijeliti dizajne, upute i alate potrebne za repliciranje i daljnje unaprjeđenje ove tehnologije, čime potiču kolektivni napredak u znanstvenoj zajednici.

Bill Yen, bivši student Northwestern Sveučilišta i vođa ovog istraživačkog projekta, naglašava rastući broj uređaja unutar Internet stvari (IoT) i izazove koje to predstavlja. "S obzirom na brzi rast IoT uređaja, ključno je pronaći održive izvore energije", objašnjava Yen. "Litij, teški metali i toksini koji se trenutno koriste u baterijama nisu dugoročno rješenje. Mikrobne gorivne ćelije u tlu predstavljaju revolucionarnu alternativu, koristeći organski ugljik i mikrobe za stvaranje energije."

George Wells, izvanredni profesor na Northwesternu i stariji autor studije, dodaje: "Ovi mikrobi, koji su prisutni u gotovo svakom tlu, omogućuju nam da stvorimo jednostavne sustave za hvatanje njihove električne energije. Iako ne možemo napajati cijele gradove, ova tehnologija ima ogroman potencijal za aplikacije s niskom potrošnjom energije."

Primjena u poljoprivredi
Ova tehnologija posebno se ističe u primjeni u poljoprivredi, gdje moderni pristupi poput precizne poljoprivrede zahtijevaju neprekidno praćenje i prikupljanje podataka. "U poljoprivredi, gdje je potrebno mnoštvo senzora za praćenje stanja tla, ova tehnologija nudi velike prednosti", kaže Yen. "Za razliku od solarnih panela koji se mogu lako zaprljati i ne funkcioniraju bez sunčeve svjetlosti, ili baterija koje zahtijevaju redovnu zamjenu, ovi senzori bi bili samodostatni i trajni."

Osim toga, Wells i Yen ističu da se ovakav pristup može koristiti u različitim okruženjima, od farmi do močvarnih područja, bez potrebe za vanjskim izvorima energije. Ovo rješenje ne samo da smanjuje troškove održavanja, već i povećava održivost i ekološku prihvatljivost poljoprivrednih praksi.

Tim se suočio s izazovom kako efikasno koristiti mikrobne gorivne ćelije u suhim i oksigenom siromašnim uvjetima, što je tipično za tlo. "Tradicionalni MFC-ovi zahtijevaju stalnu hidrataciju i oksigenaciju, što je izazovno kad su uređaji zakopani u suhom tlu", objašnjava Yen. Ovo je ograničavajući faktor za njihovu upotrebu u poljoprivredi i drugim vanjskim primjenama.

Iako su mikrobne gorivne ćelije postojale kao koncept još od početka 20. stoljeća, njihova nezadovoljavajuća izvedba i slaba snaga bili su glavni problemi. "Više od stoljeća, tehničke poteškoće ograničavale su praktičnu uporabu MFC-a", ističe Yen.

Razvoj pobjedničkog prototipa
Da bi prevladali ove prepreke, Yen i njegov tim su se posvetili razvoju novog tipa MFC-a prilagođenog suhim uvjetima. Kroz dvogodišnji proces, tim je testirao i uspoređivao različite dizajne. "Nakon prikupljanja podataka kroz devet mjeseci i testiranja u vanjskim uvjetima, došli smo do modela koji izvrsno funkcionira čak i u suhim i zasićenim vodama okruženjima", kaže Yen.

Ključ uspjeha leži u geometriji dizajna. Za razliku od tradicionalnog pristupa gdje su anoda i katoda paralelne, tim je usvojio okomiti dizajn. Ovaj pristup je omogućio efikasnije korištenje mikrobnih gorivnih ćelija u različitim uvjetima tla, rješavajući tako problem nepouzdane izvedbe u suhim uvjetima.

Napredak u dizajnu gorivnih ćelija krije se u njihovoj jednostavnosti i efikasnosti. Anoda, napravljena od karbonskog filca, položena je vodoravno u odnosu na zemljinu površinu. "Karbonski filc je izbor zbog svoje dostupnosti, cijene i sposobnosti hvatanja elektrona mikroba", pojašnjava Yen.

Katoda, izrađena od inertnog, vodljivog metala, smještena je okomito iznad anode. "Ovaj vertikalni raspored omogućuje da gornji dio katode bude u ravnini s površinom zemlje, dok njen donji kraj ostaje hidratiziran od vlažnosti okolnog tla", dodaje Wells.

Posebnost ovog dizajna je 3D tiskana kapica na vrhu uređaja, koja štiti unutrašnjost od krhotina. Osim toga, rupa na vrhu i zračna komora koja prati katodu osiguravaju dosljedan protok zraka. "Ovaj dizajn osigurava da katoda može 'disati' čak i tijekom poplava, a zatim se postupno suši", naglašava Hester.

Istraživači su otkrili da je njihov MFC u stanju proizvesti znatno više energije nego što je potrebno za napajanje senzora. "Uspjeli smo postići da goriva ćelija proizvodi 68 puta više energije od potrebne za rad senzora", ističe Yen. Osim toga, uređaj je robustan i može izdržati velike promjene vlažnosti tla.

Jedan od ključnih aspekata ovog projekta je pristupačnost i dostupnost materijala. "Sve komponente našeg MFC-a mogu se nabaviti u lokalnim trgovinama hardverom", kaže Hester. Budući planovi uključuju razvoj MFC-a od potpuno biorazgradivih materijala, čime se zaobilaze složeni opskrbni lanci i izbjegava uporaba konfliktnih minerala.

Hester naglašava važnost neovisnosti o globalnim lancima opskrbe: "Pandemija COVID-19 pokazala je koliko su globalni lanci opskrbe ranjivi. Naš cilj je stvoriti uređaje koji se oslanjaju na lokalne resurse i pristupačne materijale, čineći tehnologiju dostupnom svim zajednicama."

Izvor: Northwestern University