Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad Northwestern ha desarrollado una nueva pila de combustible que recolecta energía de microbios que viven en la tierra.

Aproximadamente del tamaño de un libro de bolsillo estándar, esta tecnología totalmente impulsada por el suelo podría alimentar sensores subterráneos utilizados en agricultura de precisión e infraestructura verde. Esto podría ofrecer potencialmente una alternativa sostenible y renovable a las baterías, que contienen sustancias químicas tóxicas e inflamables que se filtran al suelo, están plagadas de cadenas de suministro llenas de conflictos y contribuyen al problema cada vez mayor de los desechos electrónicos.

Para probar la nueva pila de combustible, los investigadores la utilizaron para alimentar sensores que miden la humedad del suelo y detectan el tacto, una capacidad que podría ser útil para rastrear animales que pasan. Para permitir las comunicaciones inalámbricas, los investigadores también equiparon el sensor terrestre con una pequeña antena para transmitir datos a una estación base cercana reflejando las señales de radiofrecuencia existentes.

La pila de combustible no sólo funcionó en condiciones húmedas y secas, sino que su potencia también superó a tecnologías similares en un 120%.

La investigación se publicará hoy (12 de enero) en las Actas de la Asociación de Maquinaria de Computación sobre Tecnologías Interactivas, Móviles, Usables y Ubicuas. Los autores del estudio también publican todos los modelos, tutoriales y herramientas de simulación, para que otros puedan utilizar y ampliar la investigación.

«La cantidad de dispositivos en Internet de las cosas (IoT) aumenta constantemente», dijo el ex alumno de Northwestern, Bill Yen, quien dirigió el trabajo. “Si imaginamos un futuro con miles de millones de estos dispositivos, no podemos fabricarlos todos a partir de litio, metales pesados ​​y toxinas ambientalmente peligrosas. Necesitamos encontrar alternativas que puedan proporcionar pequeñas cantidades de energía para alimentar una red descentralizada de dispositivos. En busca de soluciones, recurrimos a las pilas de combustible microbianas del suelo, que utilizan microbios especiales para descomponer el suelo y utilizar esa pequeña cantidad de energía para alimentar sensores. Mientras haya carbono orgánico en el suelo para que los microbios lo descompongan, la pila de combustible puede durar potencialmente para siempre. »

Bill Yen, autor principal del estudio, enterró la pila de combustible durante las pruebas de laboratorio en la Universidad Northwestern. Crédito: Universidad del Noroeste

“Estos microbios son omnipresentes; ya viven en el suelo en todas partes”, dijo George Wells, autor principal del estudio de Northwestern. “Podemos utilizar sistemas técnicos muy simples para capturar su electricidad. No vamos a alimentar ciudades enteras con esta energía. Pero podemos capturar pequeñas cantidades de energía para impulsar aplicaciones prácticas de bajo consumo.

Wells es profesor asociado de ingeniería civil y ambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. Ahora tiene un doctorado. Yen, estudiante de la Universidad de Stanford, inició este proyecto mientras era investigador universitario en el laboratorio de Wells.

Soluciones para un trabajo sucio

En los últimos años, los agricultores de todo el mundo han adoptado cada vez más la agricultura de precisión como estrategia para mejorar los rendimientos agrícolas. El enfoque tecnológico se basa en medir niveles precisos de humedad, nutrientes y contaminantes en el suelo para tomar decisiones que mejoren la salud de los cultivos. Esto requiere una red grande y dispersa de dispositivos electrónicos para recopilar continuamente datos ambientales.

«Si quieres instalar un sensor en la naturaleza, en una granja o en un humedal, estás obligado a instalar una batería allí o recolectar energía solar», dijo Yen. “Los paneles solares no funcionan bien en ambientes sucios porque están cubiertos de suciedad, no funcionan cuando sale el sol y ocupan mucho espacio. Las baterías también son un problema porque se agotan. Los agricultores no van a caminar por una granja de 100 acres reemplazando baterías o quitando el polvo de los paneles solares con regularidad.

Para superar estos desafíos, Wells, Yen y sus colaboradores se preguntaron si podrían, en cambio, recolectar energía del entorno existente. «Podríamos recolectar energía del suelo que los agricultores están monitoreando de todos modos», dijo Yen.

“Esfuerzos bloqueados”

Aparecidas por primera vez en 1911, las pilas de combustible microbianas (MFC) basadas en el suelo funcionan como una batería: con un ánodo, un cátodo y un electrolito. Pero en lugar de utilizar productos químicos para generar electricidad, los MFC obtienen electricidad de bacterias que naturalmente donan electrones a los conductores cercanos. Cuando estos electrones fluyen del ánodo al cátodo, se crea un circuito eléctrico.

La pila de combustible, recubierta de tierra tras ser extraída del suelo para realizar estudios. Crédito: Bill Yen/Universidad Northwestern

Pero para que las pilas de combustible microbianas funcionen continuamente, necesitan permanecer hidratadas y oxigenadas, lo cual es complicado cuando están enterradas bajo tierra en tierra seca.

«Aunque los MFC han existido como concepto durante más de un siglo, su rendimiento poco confiable y su baja potencia han frustrado los esfuerzos por usarlos en la práctica, particularmente en condiciones de baja humedad», dijo Yen.

Geometría ganadora

Con estos desafíos en mente, Yen y su equipo se embarcaron en un viaje de dos años para desarrollar un MFC de piso práctico y confiable. Su expedición incluyó la creación (y comparación) de cuatro versiones diferentes. Primero, los investigadores recopilaron nueve meses de datos combinados sobre el desempeño de cada diseño. Luego probaron su versión final en un jardín al aire libre.

El prototipo de mejor rendimiento funcionó bien tanto en condiciones secas como en un ambiente anegado. El secreto de su éxito: su geometría. En lugar de utilizar un diseño tradicional, en el que el ánodo y el cátodo son paralelos entre sí, la pila de combustible ganadora aprovechó un diseño perpendicular.

Hecho de fieltro de carbono (un conductor abundante y económico para capturar electrones de microbios), el ánodo está horizontal con respecto a la superficie del suelo. Hecho de un metal conductor inerte, el cátodo se encuentra verticalmente sobre el ánodo.

Aunque todo el dispositivo está enterrado, el diseño vertical garantiza que el extremo superior quede al ras de la superficie del suelo. Una tapa impresa en 3D se coloca encima del dispositivo para evitar que caigan residuos en su interior. Y un orificio en la parte superior y una cámara de aire vacía a lo largo del cátodo permiten un flujo de aire constante.

El extremo inferior del cátodo permanece ubicado profundamente debajo de la superficie, asegurando que permanezca hidratado por el suelo húmedo circundante, incluso cuando la superficie del suelo se seca al sol. Los investigadores también cubrieron parte del cátodo con un material impermeabilizante para permitirle respirar en caso de inundación. Y, después de una posible inundación, el diseño vertical permite que el cátodo se seque gradualmente en lugar de hacerlo todo de una vez.

En promedio, la pila de combustible resultante generó 68 veces más energía de la necesaria para operar sus sensores. También era lo suficientemente robusto como para soportar cambios significativos en la humedad del suelo, desde ligeramente seco (41% de agua por volumen) hasta completamente sumergido.

Hacer que la TI sea accesible

Los investigadores dicen que todos los componentes de su MFC a base de suelo se pueden comprar en una ferretería local. A continuación, planean desarrollar un MFC basado en el suelo elaborado con materiales totalmente biodegradables. Ambos diseños evitan cadenas de suministro complejas y evitan el uso de minerales conflictivos.

«Con el COVID-19 «Con la pandemia, todos nos hemos familiarizado con cómo una crisis puede alterar la cadena de suministro mundial de productos electrónicos», dijo el coautor del estudio Josiah Hester, ex miembro de la facultad de Northwestern que ahora trabaja en el Instituto de Tecnología de Georgia. «Queremos construir dispositivos que utilicen cadenas de suministro locales y materiales de bajo costo para que la informática sea accesible para todas las comunidades».

Referencia: “Soil-Powered Computing” de Bill Yen, Laura Jaliff, Louis Gutiérrez, Philothei Sahinidis, Sadie Bernstein, John Madden, Stephen Taylor, Colleen Josephson, Pat Pannuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora y Josiah Hester, 11 de enero 2024, Actas de la ACM sobre tecnologías interactivas, móviles, portátiles y ubicuas.
DOI: 10.1145/3631410

El estudio fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias (número de premio CNS-2038853), la Iniciativa de Investigación Agrícola y Alimentaria (número de premio 2023-67021-40628) del Instituto Nacional de Alimentación y Agricultura USDA Agriculture, la Fundación Alfred P. Sloan, Investigación de VMware y 3M.