Talajban élő mikrobákból nyerhetünk energiát egy új megoldással. Így az apró mezőgazdasági szenzorok és távjelzők szinte ingyen táplálhatók – akku nélkül. Ráadásul ez a megoldás 120%-kal nagyobb teljesítményű, mint a hasonló mikroba alapú cellák.
Olyan új üzemanyagcellát fejlesztettek ki az amerikai Northwestern Egyetemen, amelyik a talajban élő mikrobákból nyer energiát. Berendezésük csupán akkora, mint egy puha fedelű zsebkönyv, és csak talaj meg nedvesség kell hozzá. Az agráriumban egyre több helyütt használt érzékelőket tudja ellátni árammal, mégpedig fenntartható, megújuló alternatívaként az akkumulátorok helyett – és temérdek elektronikai hulladéktól szabadítaná meg az ágazatot.
Az új üzemanyagcellát a talajnedvesség-mérő és érintésérzékelő szenzorok működtetésével tesztelték, utóbbi hasznos lehet az áthaladó állatok követéséhez. Továbbá a vezeték nélküli kommunikáció kedvéért a „földárammal” működő érzékelőket apró antennával is ellátták. Ez a meglévő rádiójeleket visszaverve továbbítja az adatokat egy közeli bázisállomásra.
Nedves és száraz talajban egyaránt jól működött a cella, sőt a teljesítménye 120%-kal meghaladta a hasonló megoldásokét. A kutatással együtt január közepén minden tervet és szimulációt is nyilvánosságra hoztak, hogy mások is hasznosítani tudják.
„Folyamatosan nő a gépek közti internetre (IoT) kapcsolódó eszközök száma” – bocsátja előre a Northwestern öregdiákja, Bill Yen, aki a kutatást vezette, és most a Stanford Egyetem doktorandusza. „Ha egyszer ezekből a készülékekből billiónyi lesz, nem építhetünk mindegyikbe a környezetre káros anyagokat. Alternatívákat kell találnunk az eszközök decentralizált hálózatának működéséhez.” E célra a talajlakó mikrobákat állították munkába, mivel ezek a szerves szén lebontásával szinte bármeddig képesek működtetni az egyszerű üzemanyagcellákat. Persze nem valók települések ellátására, de kis áramfelvételű, praktikus eszközöket folyamatosan táplálni tudnak.
„Ha egy érzékelőt akarunk elhelyezni vadonban, farmon vagy vizes élőhelyen, akkor csak akkumulátorral vagy napenergiával tudjuk táplálni” – mondja az ifjú kutatásvezető. „A napelemeket gátolja a szennyeződés, az időjárás és éjjel nem termelnek. Az akku szintén kihívás, és nyilvánvaló, hogy egy hatalmas farmon a gazdák nem fognak sűrűn körbejárni az akkucsere vagy a szolárpanelek tisztogatása kedvéért.”
A mikrobákon alapuló üzemanyagcella (MFC, microbial fuel cell) már 1911-ben megjelent, és úgy működik, mint egy akkumulátor – anóddal, katóddal, elektrolittal. De az áramot vegyi anyagok helyett olyan baktériumokból nyeri, amelyek maguktól adnak le elektronokat. Amikor ezek az anódról a katódra áramlanak, áramkör jön létre.
Ám az ilyen cellák zavartalan működéséhez elegendő nedvesség és oxigén kell, amit a föld alá temetve nem egyszerű elérni. Így a „humuszos” MFC évszázados koncepciója a gyakorlatban megbízhatatlan és gyenge teljesítményt nyújt, főként a száraz talajokban.
Négy különböző prototípussal kilenc hónapig gyűjtötték a teljesítményadatokat a kutatók, majd a végső változatot egy kertben tesztelték. A legjobb prototípus száraz és vizes környezetben is jól működött. Sikerének titka a felépítés mértani formája: a merőleges kialakítás.
Anódjának anyaga olcsó szénfilc (ez fogja be a mikrobák által leadott elektronokat), amely a talaj felszínéhez képest vízszintesen fekszik. A fémből készült katód pedig merőlegesen áll fölötte. Bár az egész eszköz be van temetve, függőleges kialakítása révén a felső vége eléri a talaj felszínét. Az eszköz tetején egy 3D nyomtatású fedél meggátolja az apró rögök bejutását. Egy üres kamra pedig egyenletes légáramlást tesz lehetővé.
Mélyen a felszín alatt marad a katód alsó vége, ezáltal nedves marad még akkor is, ha a felszín kiszárad a napsütéstől. A kutatók a katód egy részét vízszigetelő anyaggal vonták be, hogy zivatarban is lélegezni tudjon. Ha el is árasztaná a víz, a katód fokozatosan szárad ki a függőleges kialakítás révén.
Ez az üzemanyagcella átlagosan 68-szor több energiát termel, mint ami az apró szenzorok igénye. Ráadásul elég masszív ahhoz, hogy kibírja a talajnedvesség szélsőséges változásait. A kutatók szerint mikroba alapú cellájuk minden alkatrésze elérhető egy barkácsboltban is. Következő tervük egy biológiailag teljesen lebomló anyagú MFC. A pandémia tapasztalataiból okulva mindkét konstrukció elkerüli a bonyolult ellátási láncokkal járó kockázatokat.
