科学者たちは永久に稼働する新しい土の力で動く燃料電池を開発

ノースウェスタン大学が率いる研究チームは、土の中に生息する微生物からエネルギーを回収する新しい燃料電池を開発した。

通常の紙の本ほどの大きさのこの土壌ベースの技術は、精密農業やグリーンインフラストラクチャで使用される地下センサーに電力を供給できる可能性があります。 これは、地中に浸出する有毒で可燃性の化学物質を含み、紛争に悩まされるサプライチェーンを抱え、増大し続ける電子廃棄物問題の一因となっているバッテリーに代わる、持続可能で再生可能な代替手段となる可能性があります。

新しい燃料電池をテストするために、研究者らは土壌水分を測定し、接触を検出するセンサーに電力を供給するためにそれを使用しました。この機能は、通過する動物を追跡するのに役立つ可能性があります。 無線通信を可能にするために、研究者らはまた、既存の無線周波数信号を反射して近くの基地局にデータを送信するための小さなアンテナを土壌センサーに装備しました。

燃料電池は湿潤条件でも乾燥条件でも性能を発揮しただけでなく、その出力も同様の技術を 120% 上回りました。

この研究は本日 (1 月 12 日)、インタラクティブ、モバイル、ウェアラブル、ユビキタス テクノロジに関するコンピューティング機械協会の議事録に掲載される予定です。 また、研究著者はすべての設計、チュートリアル、シミュレーション ツールを公開しているため、他の人が研究を使用して構築することができます。

「モノのインターネット（IoT）に接続されるデバイスの数は増え続けています」と、この研究を主導したノースウェスタン大学大学院生のビル・イェン氏は語った。 「これらのデバイスが何兆個もある未来を想像した場合、環境にリスクをもたらすリチウム、重金属、毒素を使用してすべてのデバイスを構築することはできません。私たちは、少量のエネルギーを提供できる代替手段を見つける必要があります。分散型デバイスネットワークに電力を供給するためのエネルギー. 解決策を探す中で、私たちは土壌微生物燃料電池に注目しました. これは特別な微生物を使って土壌を分解し、その少量のエネルギーをセンサーに電力を供給するために使用します. 有機炭素がある限り土壌中で微生物が分解するため、燃料電池は潜在的に永久に使用できる可能性があります。

この研究の筆頭著者であるビル・イェン氏は、ノースウェスタン大学の研究室でのテスト中に燃料電池を埋めた。 クレジット: ノースウェスタン大学

この研究の主任著者であるノースウェスタン大学のジョージ・ウェルズ氏は、「これらの微生物はどこにでもいます。実際、どこの土壌にも生息しています。非常に単純な工学システムを使用して電気を得ることができます。」と述べています。 このエネルギーを都市全体に供給するわけではありません。 しかし、実用的な低電力アプリケーションに電力を供給するために、微量のエネルギーを捕捉することはできます。

ウェルズは、ノースウェスタン大学マコーミック工学大学院の土木および環境工学の准教授です。 現在は博士号を取得しています。 スタンフォード大学の学生であるインは、ウェルズの研究室で学部研究員をしていたときにこのプロジェクトを開始しました。

汚い仕事の解決策

近年、世界中の農家が作物の収量を向上させる戦略として精密農業を採用することが増えています。 技術ベースのアプローチは、作物の健康を促進する決定を下すために、土壌中の水分、栄養素、汚染物質の正確なレベルの測定に依存しています。 これには、環境データを継続的に収集するために、電子デバイスの大規模で分散したネットワークが必要です。

「荒野、農場、湿地にセンサーを設置したい場合、バッテリーを設置するか、太陽エネルギーを収集するしかありません」とイン氏は言う。 「ソーラーパネルは、汚れに覆われているため、汚れた環境ではうまく機能しません。また、太陽が出ていないときは機能せず、多くのスペースを占有します。バッテリーも電力が切れてしまうため、課題です。農家は、100エーカーの農場を定期的に電池を交換したり、ソーラーパネルの埃を払ったりすることはしません。

これらの課題を克服するために、ウェルズ、ウェイン、および彼らの共同研究者らは、代わりに既存の環境からエネルギーを採取できないか考えました。 「いずれにせよ、農家が監視している土壌からエネルギーを収穫することができます」とイン氏は語った。

「挫折した努力」

1911 年にデビューした土壌ベースの微生物燃料電池 (MFC) は、アノード、カソード、電解質を備えたバッテリーのように動作します。 しかし、MFC は電気を生成するために化学物質を使用するのではなく、近くの導体に自然に電子を与えるバクテリアから電気を集めます。 これらの電子がアノードからカソードに流れると、電気回路が形成されます。

燃料電池は研究のために地面から取り出した後、土で覆われています。 クレジット: ビル・イェン/ノースウェスタン大学

しかし、微生物燃料電池が中断されずに動作するには、湿気を保ち、酸素が供給されている必要がありますが、乾燥した土の中に埋められている場合、これは困難です。

「MSCは概念として1世紀以上存在してきたが、その性能の信頼性が低く、生産能力が低いため、特に低湿度条件下での実用化への取り組みは挫折してきた」とイン氏は述べた。

勝利のエンジニアリング

これらの課題を念頭に置き、イン氏と彼のチームは、実用的で信頼性の高い土壌ベースの MFC セルを開発するための 2 年間の旅に着手しました。 彼の旅には、4 つの異なるバージョンの作成と比較が含まれていました。 まず、研究者らは各設計のパフォーマンスに関する 9 か月間のデータを収集しました。 その後、最終バージョンを屋外の公園でテストしました。

最高のパフォーマンスを発揮したプロトタイプは、乾燥した環境でも水没した環境でも良好なパフォーマンスを示しました。 成功の秘密はそのエンジニアリングです。 アノードとカソードが互いに平行である従来の設計を使用する代わりに、受賞した燃料電池は直交設計を採用しました。

カーボンフェルト（微生物の電子を捕捉するための、容易に入手可能で安価な導体）で作られたアノードは、地面に対して水平になっています。 カソードは不活性な導電性金属で構成され、アノードの垂直上に配置されます。

装置全体が埋設されていますが、垂直設計により上端は地面と同じ高さになります。 デバイスの上部には 3D プリントされたカバーがあり、破片が内部に落ちるのを防ぎます。 上部の穴と陰極の隣にある空の空気室により、一定の空気の流れが可能になります。

陰極の下端は地表の下深くに位置するため、表土が日光で乾いた場合でも、周囲の湿った土壌から湿った状態が保たれます。 研究者らはまた、浸水時にカソードが呼吸できるように、カソードの一部を防水材料でコーティングした。 洪水の可能性があった後、垂直設計により、陰極を一度に乾燥させるのではなく、徐々に乾燥させることができます。

結果として得られた燃料電池は、センサーの動作に必要な電力の 68 倍の電力を平均して生成しました。 また、やや乾燥した状態 (体積の 41% が水分) から完全に水中にある状態まで、土壌水分の大きな変化に耐えるのに十分な堅牢性も備えていました。

誰もがコンピューティングにアクセスできるようにする

研究者らによると、土壌ベースのMFCのすべてのコンポーネントは地元の金物店で購入できるという。 次に、完全に生分解性の材料で作られた土壌ベースのMFCを開発する予定です。 どちらの設計も複雑なサプライチェーンを回避し、紛争鉱物の使用を回避しています。

“とともに COVID-19（新型コロナウイルス感染症 「危機が世界のエレクトロニクスのサプライチェーンをどのように混乱させるかについては、私たち全員が認識しています」と、研究共著者でノースウェスタン大学の元教員で現在はジョージア工科大学で働くジョサイア・ヘスター氏は言う。 「私たちは、地元のサプライチェーンと低コストの材料を使用してデバイスを構築し、すべてのコミュニティがコンピューティングにアクセスできるようにしたいと考えています。」

参考文献: Billyen、Laura Gleave、Luis Gutierrez、Veluthi Sahinidis、Sadie Bernstein、John Madden、Steven Taylor、Colin Josephson、Pat Panuto、Weitao Shuai、George Wells、Nivedita Arora、Josiah Hester 著「Soil-Powered Computing」、1 月１１． 2024年、 インタラクティブ、モバイル、ウェアラブル、ユビキタス テクノロジーに関する ACM の議事録。
土井: 10.1145/3631410

この研究は、米国科学財団（賞番号：CNS-2038853）、農務省国立食品農業研究所の農業・食品研究イニシアティブ（賞番号：2023-67021-40628）、アルフレッド・P・スローン財団の支援を受けました。 、VMware Research、および 3M。