Uma nova célula de combustível que coleta energia de micróbios do solo foi desenvolvida por uma equipe de pesquisadores da Northwestern University. Esta tecnologia, do tamanho de um livro de bolso, pode alimentar sensores subterrâneos utilizados na agricultura de precisão e na infraestrutura verde. Além disso, pode ser uma alternativa ecológica e sustentável às baterias, que contêm produtos químicos tóxicos e inflamáveis que prejudicam o meio ambiente e contribuem para o lixo eletrônico.
Os pesquisadores testaram a nova célula de combustível, utilizando-a para alimentar sensores que medem a umidade do solo e detectam movimentos, uma capacidade valiosa para rastrear animais que passam. Além disso, equiparam o sensor alimentado pelo solo com uma pequena antena para permitir a comunicação sem fio e transmitir dados para uma estação base próxima, refletindo os sinais de radiofrequência existentes. A célula de combustível funcionou tanto em condições úmidas quanto secas, e sua potência superou em 120% as tecnologias similares.
“O número de dispositivos na Internet das Coisas (IoT) está em constante crescimento”, disse Bill Yen, ex-aluno da Northwestern que liderou o trabalho. “Se imaginarmos um futuro com trilhões desses dispositivos, não podemos construí-los todos com lítio, metais pesados e toxinas que são perigosas para o meio ambiente. Precisamos encontrar alternativas que possam fornecer baixas quantidades de energia para alimentar uma rede descentralizada de dispositivos. Na busca por soluções, procuramos células de combustível microbianas do solo, que usam micróbios especiais para decompor o solo e usar essa baixa quantidade de energia para alimentar sensores. Enquanto houver carbono orgânico no solo para os micróbios decomporem, a célula de combustível pode durar potencialmente para sempre.”
“Esses micróbios são onipresentes; eles já vivem no solo em todos os lugares”, disse George Wells, da Northwestern, autor sênior do estudo. “Podemos usar sistemas de engenharia muito simples para capturar sua eletricidade. Não vamos abastecer cidades inteiras com essa energia, mas podemos capturar quantidades mínimas para alimentar aplicações práticas e de baixo consumo.”
Nos últimos anos, os agricultores têm adotado a agricultura de precisão para aumentar o rendimento de suas colheitas. Esta abordagem baseia-se na medição de níveis precisos de umidade, nutrientes e contaminantes no solo para tomar decisões informadas que podem melhorar a saúde das culturas. No entanto, isso requer uma rede ampla e dispersa de dispositivos eletrônicos que possam coletar continuamente dados ambientais.
“Se você quiser colocar um sensor na natureza, em uma fazenda ou em um pântano, será obrigado a colocar uma bateria nele ou a coletar energia solar”, disse Yen. “Os painéis solares não funcionam bem em ambientes sujos porque ficam cobertos de sujeira, não funcionam quando não há sol e ocupam muito espaço. As baterias também são um desafio porque ficam sem carga. Os agricultores não vão percorrer uma fazenda de 100 acres para trocar baterias regularmente ou tirar a poeira dos painéis solares.”
Para superar esse desafio, pesquisadores como Wells, Yen e seus colaboradores têm explorado a possibilidade de colher energia do ambiente existente. Yen explicou que eles poderiam potencialmente colher energia do solo que os agricultores já estão monitorando.
Yen e sua equipe embarcaram em uma jornada de dois anos para desenvolver uma célula de combustível prática e confiável baseada no solo. Eles criaram e compararam quatro versões diferentes, coletaram nove meses de dados sobre o desempenho de cada projeto e finalmente testaram o protótipo com melhor desempenho em um jardim ao ar livre. O segredo do seu sucesso foi a sua geometria, que se diferenciava do design tradicional. Em vez de ânodo e cátodo paralelos, a célula de combustível vencedora usou um design perpendicular, com o ânodo feito de feltro de carbono e o cátodo feito de um metal inerte e condutor. Este projeto funcionou bem em ambientes secos e encharcados.
O dispositivo possui um design vertical para garantir que a extremidade superior fique nivelada com a superfície do solo. Ele possui uma tampa impressa em 3D na parte superior para evitar que detritos caiam em seu interior e um orifício na parte superior para permitir um fluxo de ar consistente.
A extremidade inferior do cátodo permanece profundamente abaixo da superfície para se manter hidratada do solo úmido ao redor e é revestida com material impermeabilizante para permitir que respire durante uma enchente. O dispositivo gera 68 vezes mais energia do que o necessário para operar seus sensores e pode suportar grandes mudanças na umidade do solo.
Todos os componentes da célula de combustível baseada no solo podem ser adquiridos em uma loja de ferragens local, dizem os pesquisadores.
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