Gli scienziati hanno creato una nuova cella a combustibile che utilizza microbi presenti naturalmente nel suolo per generare elettricità. Il sistema può alimentare sensori sotterranei che monitorano l'umidità del suolo e persino rilevano movimenti o tocchi
Fuel cell microbiche: ecco come funzionano
Le fuel cell microbiche sono una delle frontiere più interessanti delle bio-energie. Si tratta di dispositivi che trasformano l’energia chimica contenuta nella materia organica in energia elettrica grazie al metabolismo dei batteri.
Alla Northwestern University è stata realizzata una nuova tecnica e una successiva sperimentazione sulle “batterie microbiche”, attraverso un sistema progettato per far funzionare sensori sotterranei già usati nell’agricoltura di precisione e nel monitoraggio ambientale. Questi dispositivi elettrochimici offrirebbero un’alternativa potenziale alle batterie tradizionali, che contengono materiali tossici e infiammabili, dipendono da complesse catene di approvvigionamento globali e contribuiscono alla crescente produzione di rifiuti elettronici.
Alimentazione dei sensori senza batterie
Per dimostrarne le capacità, il team di ricerca ha utilizzato la cella a combustibile microbica per azionare sensori che misurano l’umidità del suolo e rilevano il contatto. Questa capacità di rilevamento potrebbe essere utile per monitorare gli spostamenti della fauna selvatica, come ad esempio gli animali che attraversano un campo. Il sistema include anche una piccola antenna che invia i dati in modalità wireless riflettendo i segnali a radiofrequenza esistenti, mantenendo così il consumo energetico estremamente basso.
Il dispositivo si è dimostrato affidabile in un’ampia gamma di condizioni e ha funzionato sia in terreni asciutti che in ambienti allagati, producendo energia in modo più costante rispetto a sistemi simili, durando circa il 120% in più.
Perché i microbi del suolo sono importanti per Internet of Things
“Se immaginiamo un futuro con miliardi di questi dispositivi connessi, non possiamo certo costruirli tutti con litio, metalli pesanti e sostanze tossiche pericolose per l’ambiente. Dobbiamo trovare alternative in grado di fornire piccole quantità di energia per alimentare una rete decentralizzata di dispositivi – ha detto Bill Yen, responsabile del progetto – . Nella ricerca di soluzioni, ci siamo rivolti alle celle a combustibile microbiche del suolo. Finché nel terreno è presente carbonio organico che i microbi possono decomporre, la cella a combustibile può potenzialmente durare indefinitamente.“
Come sono fatte le batterie microbiche
Questi sistemi, chiamati MFC, funzionano in modo simile a una cella elettrochimica tradizionale; sono composte da un anodo, un catodo e un elettrolita, ma anziché basarsi su reazioni chimiche, sfruttano i batteri che rilasciano naturalmente elettroni e quindi corrente elettrica.
“Questi microbi sono onnipresenti; vivono già nel terreno ovunque”, ha affermato George Wells della Northwestern University, autore senior dello studio. “Possiamo utilizzare sistemi ingegnerizzati molto semplici per catturare la loro elettricità. Non alimenteremo intere città con questa energia, ma possiamo catturare quantità minime di energia per alimentare applicazioni pratiche a basso consumo energetico.”
Fuel cell microbiche: il nuovo paradigma tecnologico
La svolta è arrivata grazie a un cambiamento di geometria. Invece di posizionare anodo e catodo parallelamente tra loro, il nuovo progetto li posiziona perpendicolarmente.
L’anodo, realizzato in feltro di carbonio – un conduttore economico e abbondante, in grado di catturare gli elettroni dei microbi – si trova orizzontalmente sotto il terreno. Il catodo, costituito da un metallo conduttivo, si estende verticalmente fino alla superficie.
Questa struttura contribuisce a risolvere diversi problemi allo stesso tempo. La parte superiore del dispositivo rimane esposta all’aria, garantendo un apporto costante di ossigeno; la parte inferiore rimane interrata nel terreno umido, mantenendo l’idratazione anche in condizioni di siccità. Un tappo protettivo impedisce l’ingresso di detriti, mentre una piccola camera d’aria permette il passaggio dell’aria.
Risultati eccellenti in condizioni reali
Il prototipo ha funzionato bene in un’ampia gamma di condizioni del terreno, da terreni moderatamente asciutti, con il 41% di umidità in volume, ad ambienti completamente sommersi. In media, ha generato 68 volte più energia di quella necessaria per alimentare i suoi sensori. Questi risultati suggeriscono che il sistema è sufficientemente robusto per un’implementazione reale in campi agricoli o ambienti naturali. Il team della Northwestern University sottolinea che tutti i componenti del loro sistema possono essere realizzati con materiali di uso comune.
