Батарейка на микробах? Необычный топливный элемент извлекает энергию из почвы и может работать годами

Атомные, литиевые и водородные топливные ячейки известны всем. А вот микробные топливные элементы весьма малоизвестны, хотя их технология насчитывает более сотни лет. Их принцип работы отчасти похож на обычные химические элементы с анодом, катодом и электролитом, но вместо того, чтобы получать электричество в ходе химической реакции, «микробные батарейки», как это понятно из названия, работают с бактериями

Исследователи из американского Северо-Западного Университета (UNW) продемонстрировала способ выработки электроэнергии с помощью такого устройства размером с небольшую книжку. Оно устанавливается в почву и собирает энергию, образующуюся по мере того, как микробы расщепляют грязь, — до тех пор, пока в почве есть углерод.

До сих пор проблема заключалась в обеспечении их водой и кислородом. Хотя МТЯ (микробные топливные ячейки) существуют как технология уже более века, их нестабильные характеристики и низкая выходная мощность препятствуют попыткам их практического использования, особенно в условиях низкой влажности", — сказал выпускник UNW и руководитель проекта Билл Йен.

Он и команда исследователей приступили к созданию нескольких новых конструкций, направленных на обеспечение элементов постоянным доступом к кислороду и воде. В итоге они добились успеха благодаря конструкции в форме картриджа, расположенного вертикально на горизонтальном диске. Дискообразный анод из углеродного волокна расположен горизонтально в глубоко погруженный в почву нижней части, где он может захватывать электроны, пока микробы переваривают грязь.

Проводящий металлический катод, в свою очередь, расположен вертикально поверх анода. Таким образом, нижняя часть расположена достаточно глубоко, чтобы иметь доступ к влаге из глубины почвы, в то время как верхняя часть находится на одном уровне с поверхностью. По всей длине электрода идет канал для свежего воздуха, а защитный колпачок сверху предотвращает забивание этого канала грязью и мусором.

Также часть катода покрыта гидроизоляционным материалом, так что в случае дождя часть катода все еще остается в контакте с кислородом, что обеспечивает работу топливного элемента.

Во время проверки эта конструкция стабильно работала при различных уровнях влажности почвы, от полностью затопленной водой до «несколько сухой» (порядка 41% воды по объему). В среднем эта версия микробного топливного элемента вырабатывала примерно в 68 раз больше энергии, чем требовалось для работы встроенных систем обнаружения влажности и прикосновений, а также для передачи этих данных через крошечную антенну на ближайшую базовую станцию.

Как и в случае с другими источниками сверхдолгой выработки электроэнергии, мощности «микробной батарейки» весьма мала и при текущем уровне развития этой технологии ее не хватит даже для быстрой зарядки смартфона, не говоря уже о зарядке электромобиля.

Перспективы использования пока стоит ограничить питанием небольших датчиков, которые могут работать в течение длительного времени без необходимости регулярной замены батарей.

«Если мы представим будущее с триллионами таких устройств, мы не сможем построить каждое из них на основне, тяжелых металлов и токсинов, которые опасны для окружающей среды», — сказал Йен. «Нам нужно найти альтернативы, которые могут обеспечить небольшое количество энергии для питания децентрализованной сети устройств. В поисках решений мы обратились к почвенным микробным топливным элементам, которые используют специальные микробы для расщепления почвы и используют это небольшое количество энергии для питания датчиков. Пока в почве есть органический углерод, необходимый для разрушения микробов, топливный элемент потенциально может работать вечно «.

Таким образом, подобные датчики могут быть полезны для фермеров, которые может быть необходимо отслеживать различные параметры почвы — влажность, содержание питательные и загрязняющих ее веществ и прочее. Принцип работы таких элементов питания позволит получать нужные данные годы, а может даже и десятилетия вперёд.

Исследовательская группа отдельно подчёркивает что большим преимуществом таких топливных ячеек является то, что всё нужное для из создания можно купить фактически на полке хозяйственного магазина. Это значит, что если технология пойдёт в массы, то не стоит опасаться проблем с поставками материалов.

Стоит отметить еще один необычный тип аккумуляторов — литий-металлические, подробнее о них тут

Источник: news.northwestern.edu