Investigadores de la Universidad Northwestern han introducido una pila de combustible alimentada por microbios del suelo, superando significativamente a tecnologías similares y proporcionando una solución sostenible para alimentar dispositivos de baja energía, con pleno acceso público a sus diseños para una aplicación generalizada. La tapa impresa en 3D de la pila de combustible aparece sobre el suelo. La tapa mantiene la suciedad fuera del dispositivo y permite el flujo de aire. Crédito: Bill Yen/Universidad Northwestern

Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad Northwestern ha desarrollado una nueva pila de combustible que recolecta energía de microbios que viven en la tierra.

Aproximadamente del tamaño de un libro de bolsillo estándar, la tecnología totalmente impulsada por el suelo podría alimentar sensores subterráneos utilizados en agricultura de precisión e infraestructura verde. Esto podría ofrecer potencialmente una alternativa sostenible y renovable a las baterías, que contienen sustancias químicas tóxicas e inflamables que se filtran al suelo, están plagadas de cadenas de suministro plagadas de conflictos y contribuyen al problema cada vez mayor de los desechos electrónicos.

Para probar la nueva pila de combustible, los investigadores la utilizaron para alimentar sensores que miden la humedad del suelo y detectan el tacto, una capacidad que podría ser valiosa para rastrear a los animales que pasan. Para permitir las comunicaciones inalámbricas, los investigadores también equiparon el sensor terrestre con una pequeña antena para transmitir datos a una estación base vecina reflejando las señales de radiofrecuencia existentes.

La pila de combustible no sólo funcionó tanto en condiciones húmedas como secas, sino que su potencia también superó a tecnologías similares en un 120%.

La investigación se publicará hoy (12 de enero) en las Actas de la Asociación de Maquinaria de Computación sobre Tecnologías Interactivas, Móviles, Usables y Ubicuas. Los autores del estudio también están lanzando al público todos los proyectos, tutoriales y herramientas de simulación para que otros puedan utilizar y desarrollar la investigación.

«La cantidad de dispositivos en Internet de las cosas (IoT) está en constante crecimiento», dijo el ex alumno de Northwestern, Bill Yen, quien dirigió el trabajo. “Si imaginamos un futuro con billones de estos dispositivos, no podemos construirlos todos con litio, metales pesados ​​y toxinas que son peligrosas para el medio ambiente. Necesitamos encontrar alternativas que puedan proporcionar bajas cantidades de energía para alimentar una red descentralizada de dispositivos. En la búsqueda de soluciones, buscamos pilas de combustible microbianas del suelo, que utilizan microbios especiales para descomponer el suelo y utilizar esta baja cantidad de energía para alimentar sensores. Mientras haya carbono orgánico en el suelo para que los microbios lo descompongan, la pila de combustible puede durar potencialmente para siempre”.

Bill Yen, autor principal del estudio, enterró la pila de combustible durante las pruebas en el laboratorio de la Universidad Northwestern. Crédito: Universidad del Noroeste

“Estos microbios están en todas partes; ya viven en el suelo en todas partes”, dijo George Wells de Northwestern, autor principal del estudio. “Podemos utilizar sistemas de ingeniería muy simples para capturar su electricidad. No vamos a suministrar esta energía a ciudades enteras. Pero podemos capturar cantidades mínimas de energía para impulsar aplicaciones prácticas de bajo consumo”.

Wells es profesor asociado de ingeniería civil y ambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. Yen, ahora estudiante de doctorado en la Universidad de Stanford, comenzó este proyecto cuando era investigador universitario en el laboratorio de Wells.

Soluciones para un trabajo sucio

En los últimos años, los agricultores de todo el mundo han adoptado cada vez más la agricultura de precisión como estrategia para mejorar el rendimiento de los cultivos. El enfoque impulsado por la tecnología se basa en medir niveles precisos de humedad, nutrientes y contaminantes en el suelo para tomar decisiones que mejoren la salud de los cultivos. Esto requiere una red grande y dispersa de dispositivos electrónicos para recopilar continuamente datos ambientales.

«Si quieres colocar un sensor en la naturaleza, en una granja o en un pantano, tendrás que colocarle una batería o recolectar energía solar», dijo Yen. “Los paneles solares no funcionan bien en ambientes sucios porque se cubren de suciedad, no funcionan cuando no hay sol y ocupan mucho espacio. Las baterías también son un desafío porque se agotan. Los agricultores no van a cruzar una granja de 100 acres para cambiar las baterías con regularidad o quitar el polvo de los paneles solares”.

Para superar estos desafíos, Wells, Yen y sus colaboradores se preguntaron si, en cambio, podrían recolectar energía del entorno existente. «De cualquier manera, podríamos recolectar energía del suelo que los agricultores están monitoreando», dijo Yen.

«Esfuerzos frustrados»

Las pilas de combustible microbianas (MFC) basadas en el suelo, que aparecieron por primera vez en 1911, funcionan como una batería: con ánodo, cátodo y electrolito. Pero en lugar de utilizar productos químicos para generar electricidad, los MFC obtienen electricidad de bacterias que naturalmente donan electrones a los conductores cercanos. Cuando estos electrones fluyen del ánodo al cátodo, se crea un circuito eléctrico.

La pila de combustible, cubierta de tierra tras ser extraída del suelo para realizar estudios. Crédito: Bill Yen/Universidad Northwestern

Pero para que las pilas de combustible microbianas funcionen sin interrupción, necesitan permanecer hidratadas y oxigenadas, lo cual resulta complicado cuando están enterradas bajo tierra, en tierra firme.

«Aunque los MFC han existido como concepto durante más de un siglo, su rendimiento poco confiable y su baja potencia han frustrado los esfuerzos por hacer uso práctico de ellos, especialmente en condiciones de baja humedad», dijo Yen.

Geometría ganadora

Con estos desafíos en mente, Yen y su equipo se embarcaron en un viaje de dos años para desarrollar un MFC terrestre práctico y confiable. Su expedición incluyó la creación (y comparación) de cuatro versiones diferentes. Primero, los investigadores recopilaron nueve meses combinados de datos sobre el desempeño de cada proyecto. Luego, probaron la versión final en un jardín al aire libre.

El prototipo de mejor rendimiento funcionó bien en condiciones secas y también en ambientes inundados. El secreto de su éxito: su geometría. En lugar de utilizar un diseño tradicional en el que el ánodo y el cátodo son paralelos entre sí, la pila de combustible ganadora aprovechó un diseño perpendicular.

Hecho de fieltro de carbono (un conductor barato y abundante para capturar electrones de microbios), el ánodo está horizontal a la superficie del suelo. Hecho de un metal inerte y conductor, el cátodo se asienta verticalmente sobre el ánodo.

Aunque todo el dispositivo está enterrado, el diseño vertical garantiza que el extremo superior quede al ras de la superficie del suelo. Una cubierta impresa en 3D se encuentra encima del dispositivo para evitar que caigan residuos en su interior. Y un orificio en la parte superior y una cámara de aire vacía al lado del cátodo permiten un flujo de aire constante.

El extremo inferior del cátodo permanece ubicado profundamente debajo de la superficie, lo que garantiza que permanezca hidratado del suelo húmedo circundante, incluso cuando la capa superior del suelo se seca con la luz del sol. Los investigadores también cubrieron parte del cátodo con material impermeabilizante para permitirle respirar durante una inundación. Y después de una posible inundación, el diseño vertical permite que el cátodo se seque gradualmente en lugar de hacerlo todo de una vez.

En promedio, la pila de combustible resultante generó 68 veces más energía de la necesaria para operar sus sensores. También era lo suficientemente robusto como para soportar grandes cambios en la humedad del suelo, desde algo seco (41% de agua por volumen) hasta completamente sumergido.

Hacer que la informática sea accesible

Los investigadores dicen que todos los componentes de su MFC terrestre se pueden comprar en una ferretería local. A continuación, planean desarrollar un MFC basado en el suelo elaborado con materiales totalmente biodegradables. Ambos proyectos evitan complicadas cadenas de suministro y evitan el uso de minerales conflictivos.

«Como COVID-19 «Con la pandemia, todos nos hemos familiarizado con cómo una crisis puede alterar la cadena de suministro mundial de productos electrónicos», dijo el coautor del estudio Josiah Hester, ex miembro de la facultad de Northwestern que ahora trabaja en el Instituto de Tecnología de Georgia. «Queremos construir dispositivos que utilicen cadenas de suministro locales y materiales de bajo costo para que la informática sea accesible para todas las comunidades».

Referencia: “Soil-Powered Computing” de Bill Yen, Laura Jaliff, Louis Gutiérrez, Philothei Sahinidis, Sadie Bernstein, John Madden, Stephen Taylor, Colleen Josephson, Pat Pannuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora y Josiah Hester, 11 de enero 2024, Actas de ACM sobre tecnologías interactivas, móviles, portátiles y ubicuas.
DOI: 10.1145/3631410

El estudio fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias (número de premio CNS-2038853), la Iniciativa de Investigación Agrícola y Alimentaria (número de premio 2023-67021-40628) del Instituto Nacional de Alimentación y Agricultura del USDA, la Fundación Alfred P. Sloan, VMware Investigación y 3M.