Инженеры Северо-Западного университета разработали новый тип топливного элемента, который вырабатывает электричество за счет жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. Устройство размером с небольшую книгу способно обеспечивать энергией датчики, используемые в сельском хозяйстве и для мониторинга окружающей среды. Подобное решение может стать экологичной альтернативой традиционным батареям, содержащим токсичные вещества и требующим регулярной замены.
Система использует энергию, выделяемую микробами при расщеплении органических веществ в земле. Разработчики продемонстрировали возможности технологии, подключив к элементу сенсоры влажности почвы и датчики обнаружения движения. Последние могут применяться для наблюдения за дикими животными. Данные передаются по беспроводному каналу с помощью маломощной антенны, которая отражает существующие радиочастотные сигналы, что сводит энергопотребление к минимуму.
Проблема питания удаленных датчиков в сельском хозяйстве остается актуальной на протяжении десятилетий. Солнечные панели часто теряют эффективность из-за грязи и зависимости от погоды, а обслуживание тысяч аккумуляторов на больших полях требует значительных затрат. Почвенный элемент решает эти задачи, превращая саму среду в источник энергии. По словам исследователей, устройство может работать неограниченно долго – до тех пор, пока в почве присутствует органический углерод.
Хотя концепция микробных топливных элементов известна более ста лет, их практическое применение ограничивалось низкой надежностью и зависимостью от влажности. Инженеры изменили конструкцию устройства, расположив электроды перпендикулярно друг другу. Анод из углеродного войлока находится горизонтально под слоем земли, а катод из проводящего металла установлен вертикально и выходит на поверхность. Такая структура обеспечивает постоянный доступ кислорода к верхней части и сохранение влаги в нижней части системы.
Испытания показали, что прототип эффективно работает как в засушливых условиях, так и при полном затоплении, вырабатывая в среднем в 68 раз больше энергии, чем необходимо для работы датчиков. Длительность его непрерывной работы оказалась на 120 процентов выше, чем у сопоставимых аналогов. Ученые опубликовали чертежи и программное обеспечение в открытом доступе, чтобы технологию могли развивать другие научные группы.
В долгосрочной перспективе авторы проекта планируют создать полностью биоразлагаемую версию устройства. Это позволит избежать накопления электронного мусора и снизить зависимость от поставок редких металлов. Использование доступных материалов должно сделать технологию доступной не только в крупных агрохолдингах, но и в сообществах с ограниченным доступом к глобальным логистическим цепочкам.
