طور العلماء خلية وقود جديدة تعمل بالطاقة الترابية ويمكن أن تستمر إلى الأبد

قام فريق من الباحثين بقيادة جامعة نورث وسترن بتطوير خلية وقود جديدة تحصد الطاقة من الميكروبات التي تعيش في الأوساخ.

وبحجم كتاب ورقي قياسي، يمكن للتكنولوجيا المعتمدة على التربة أن تغذي أجهزة الاستشعار الموجودة تحت الأرض المستخدمة في الزراعة الدقيقة والبنية التحتية الخضراء. ومن الممكن أن توفر بديلاً مستدامًا ومتجددًا للبطاريات، التي تتسرب مواد كيميائية سامة وقابلة للاشتعال إلى الأرض، ومحفوفة بسلاسل التوريد الممزقة بالصراعات، وتساهم في مشكلة النفايات الإلكترونية المتنامية.

ولاختبار خلية الوقود الجديدة، استخدمها الباحثون لتشغيل أجهزة الاستشعار التي تقيس رطوبة التربة وتكتشف اللمس، وتكون قادرة على تتبع الحيوانات المارة. لتمكين الاتصال اللاسلكي، قام الباحثون بتجهيز جهاز الاستشعار الذي يعمل بالتربة بهوائي صغير، والذي ينقل البيانات إلى محطة قاعدة مجاورة من خلال عكس إشارات الترددات الراديوية الموجودة.

ولم تعمل خلية الوقود في الظروف الرطبة والجافة فحسب، بل تجاوزت قوتها التقنيات المماثلة بنسبة 120%.

سيتم نشر الدراسة اليوم (12 يناير) في مجلة Proceedings of the Society for Computing Machinery on التفاعلية والمتنقلة والقابلة للارتداء والتقنيات المنتشرة. يقوم مؤلفو الدراسة بنشر جميع التصميمات والتمارين وأدوات المحاكاة للجمهور حتى يتمكن الآخرون من استخدام البحث والبناء عليه.

وقال بيل ين، أحد خريجي جامعة نورث وسترن الذي قاد العمل: “إن عدد الأجهزة المرتبطة بإنترنت الأشياء (IoT) مستمر في النمو”. “إذا تصورنا مستقبلًا بتريليونات من هذه الأجهزة، فلن يكون كل واحد منها مصنوعًا من الليثيوم والمعادن الثقيلة والسموم الخطرة بيئيًا. نحن بحاجة إلى إيجاد بدائل توفر طاقة أقل لتشغيل شبكة من الأجهزة اللامركزية. بحثًا عن حلول، نظرنا إلى خلايا الوقود الميكروبية في التربة، والتي “تستخدم ميكروبات متخصصة للتحلل واستخدام طاقة أقل لاستشعار الطاقة. وطالما يوجد كربون عضوي في التربة لتحلل الميكروبات، فإن خلية الوقود ستستمر للأبد.”

وقام فيل ين، المؤلف الرئيسي للدراسة، بدفن خلية الوقود أثناء التجربة في مختبر بجامعة نورث وسترن. الائتمان: جامعة نورث وسترن

“هذه الميكروبات موجودة في كل مكان. وقال جورج ويلز، من جامعة نورثويسترن، وهو مؤلف رئيسي للدراسة: “إنهم يعيشون بالفعل في التربة في كل مكان”. “يمكننا استخدام أنظمة هندسية بسيطة للغاية للحصول على الكهرباء. لن نقوم بتزويد مدن بأكملها بهذه الطاقة. ولكن يمكننا التقاط كميات ضئيلة من الطاقة لتشغيل التطبيقات العملية منخفضة الطاقة.”

ويلز هو أستاذ مشارك في الهندسة المدنية والبيئية في كلية ماكورميك للهندسة في نورث وسترن. الآن دكتوراه. بدأ ين، وهو طالب في جامعة ستانفورد، المشروع بينما كان باحثًا جامعيًا في مختبر ويلز.

حلول لوظيفة قذرة

في السنوات الأخيرة، اعتمد المزارعون في جميع أنحاء العالم بشكل متزايد على الزراعة الدقيقة كاستراتيجية لتحسين غلات المحاصيل. ويعتمد النهج القائم على التكنولوجيا على قياس المستويات الدقيقة لرطوبة التربة والمواد المغذية والملوثات لاتخاذ القرارات التي تعمل على تحسين صحة المحاصيل. يتطلب الجمع المستمر للبيانات البيئية شبكة من الأجهزة الإلكترونية المنتشرة والمنتشرة.

وقال ين: “إذا كنت تريد وضع جهاز استشعار في الغابة، أو في مزرعة، أو في أرض رطبة، فأنت مقيد بوضع بطارية فيه أو حصاد الطاقة الشمسية”. “لا تعمل الألواح الشمسية بشكل جيد في البيئات القذرة لأنها مغطاة بالتراب، ولا تعمل عندما لا تكون الشمس خارجة، وتشغل مساحة كبيرة. كما تمثل البطاريات تحديًا بسبب نفاد الطاقة. لن يقوم المزارعون بتغيير البطاريات أو الألواح الشمسية بشكل روتيني حول مزرعة مساحتها 100 فدان.

وللتغلب على هذه التحديات، تساءل ويلز وين ومعاونوهم عما إذا كان بإمكانهم جني الطاقة من البيئة الحالية. وقال ين “يمكن للمزارعين جني الطاقة من التربة الخاضعة للمراقبة على أي حال”.

“محاولات محجوبة”

تعمل خلايا الوقود الميكروبية القائمة على التربة (MFCs)، والتي ظهرت لأول مرة في عام 1911، مثل البطارية، حيث تحتوي على أنود وكاثود وإلكتروليت. ولكن بدلاً من استخدام المواد الكيميائية لتوليد الكهرباء، تقوم الخلايا MFC بجمع الكهرباء من البكتيريا، التي تتبرع بشكل طبيعي بالإلكترونات إلى الموصلات القريبة. عندما تتدفق هذه الإلكترونات من القطب الموجب إلى القطب السالب، فإنها تشكل دائرة كهربائية.

يتم تغطية خلية الوقود بالتراب بعد استخراجها من الأرض لفحصها. الائتمان: بيل ين / جامعة نورث وسترن

ولكن لكي تعمل خلايا الوقود الميكروبية بسلاسة، فإنها تحتاج إلى الترطيب والأكسدة، وهو أمر صعب عندما يتم دفنها تحت الأرض في الأوساخ الجافة.

وقال ين: “على الرغم من أن الخلايا الجذعية المتعددة الأطراف كانت مفهومًا لأكثر من قرن من الزمان، إلا أن أدائها غير الموثوق به وانخفاض طاقة الإنتاج أعاقا الجهود المبذولة لاستخدامها عمليًا، خاصة في ظروف الرطوبة المنخفضة”.

هندسة الفوز

مع وضع هذه التحديات في الاعتبار، شرع ين وفريقه في رحلة مدتها سنتان لتطوير خلية MFC عملية وموثوقة تعتمد على التربة. وتضمنت رحلته بناء – ومقارنة – أربعة إصدارات مختلفة. أولاً، جمع الباحثون تسعة أشهر من البيانات حول أداء كل تصميم. وفي وقت لاحق، قاموا باختبار نسختهم النهائية في حديقة خارجية.

النموذج الأولي الأفضل أداءً كان يعمل بشكل جيد في كل من الظروف الجافة والمشبعة بالمياه. سر نجاحها: هندستها. بدلاً من استخدام التصميم التقليدي حيث يكون الأنود والكاثود متوازيين مع بعضهما البعض، تستخدم خلية الوقود الفائزة تصميمًا رأسيًا.

يكون حقل الكربون (موصل رخيص وفير لالتقاط إلكترونات الكائنات الحية الدقيقة) أفقيًا على سطح أرضية الأنود. يتكون الكاثود من معدن موصل خامل، ويوضع عموديًا فوق الأنود.

حتى لو تم دفن الجهاز بالكامل، يضمن التصميم الرأسي أن يكون الطرف العلوي متسقًا مع سطح الأرض. يوجد غطاء مطبوع ثلاثي الأبعاد أعلى الجهاز لمنع سقوط الحطام بداخله. يتيح الثقب الموجود في الأعلى وغرفة الهواء المجوفة الممتدة على طول الكاثود تهوية موحدة.

يقع الطرف السفلي من الكاثود عميقًا تحت السطح، مما يضمن ترطيبه من التربة الرطبة المحيطة به – حتى عندما تجف التربة السطحية في الشمس. وقام الباحثون بتغليف جزء من الكاثود بمادة عازلة للماء للسماح له بالتنفس أثناء الفيضانات. أيضًا، بعد حدوث فيضان محتمل، يسمح التصميم العمودي للكاثود بأن يجف تدريجيًا وليس مرة واحدة.

وفي المتوسط، أنتجت خلية الوقود الناتجة طاقة أكبر بـ 68 مرة من الطاقة اللازمة لتشغيل أجهزة الاستشعار الخاصة بها. وكانت قوية بما يكفي لتحمل التغيرات الكبيرة في رطوبة التربة – من الجفاف الجزئي (41% محتوى مائي) إلى المغمورة.

جعل النظام في متناول الجميع

يقول الباحثون إن جميع مكونات MFC القائمة على التربة يمكن شراؤها من متجر أجهزة محلي. بعد ذلك، يخططون لتطوير MFC قائم على التربة ومصنوع من مواد قابلة للتحلل بالكامل. يتجنب كلا التصميمين سلاسل التوريد المعقدة ويتجنبان استخدام معادن الصراع.

“مع كوفيد-19 وقال يوشيا هيستر، المؤلف المشارك للدراسة، والذي يعمل الآن في معهد جورجيا للتكنولوجيا: “نعلم جميعًا جيدًا كيف يمكن للوباء أن يعطل سلسلة التوريد العالمية للإلكترونيات”. “نريد بناء أجهزة تستخدم سلاسل التوريد المحلية والمواد منخفضة التكلفة بحيث تكون الحوسبة في متناول جميع المجتمعات.”

ملاحظة: بيل ين، لورا جوليف، لويس جوتيريز، فيلوثي ساهينيتس، سادي بيرنشتاين، جون مادن، ستيفن تايلور، كولين جوزيفسون، بات بانوتو، فيتاو شواي، جورج ويلز، نيفيديتا أروسترا، وجوشيا هيستيرا، و11 يناير 2024. وقائع ACM بشأن التقنيات التفاعلية والمتنقلة والقابلة للارتداء والمنتشرة في كل مكان.
دوى: 10.1145/3631410

المؤسسة الوطنية للعلوم (الجائزة رقم CNS-2038853)، المعهد الوطني للأغذية والزراعة التابع لوزارة الزراعة الأمريكية، VMware، Alfred B. تم دعم هذه الدراسة من خلال مبادرة أبحاث الزراعة والأغذية التابعة لمؤسسة سلون (رقم الجائزة 2023-67021-40628). البحث و3 م.