Начинаем готовиться к новой эре в работе на своих огородах. Установим датчики на все и везде, а сами будем возлежать на диване и смотреть в мониторы. Смешно? Но кто знает, кто знает.
Если исследователи, о которых пойдет речь далее, воплотят в промышленных масштабах то, о чем заявляют, то это - революция с последствиями для многих и многих сфер.
Команда исследователей, возглавляемая Северо-Западным университетом, разработала новый топливный элемент, который собирает энергию от микробов, живущих в грязи.
Примерно размером со стандартную книгу в мягкой обложке, полностью почвенная технология может подпитывать подземные датчики, используемые в точном сельском хозяйстве и зеленой инфраструктуре.
Это потенциально устойчивая, возобновляемая альтернатива батареям, содержащим токсичные, легковоспламеняющиеся химические вещества, которые выщелачиваются в землю и усугубляют проблему токсичных отходов.
Чтобы протестировать новый топливный элемент, исследователи использовали его для питания датчиков, измеряющих влажность почвы и фиксирующих прикосновения, что может быть полезным для отслеживания проходящих животных.
Чтобы обеспечить беспроводную связь, исследователи также оснастили почвенный датчик крошечной антенной для передачи данных на соседнюю базовую станцию путем отражения существующих радиочастотных сигналов.
Топливный элемент не только работал как во влажных, так и в сухих условиях, но и его мощность также превысила показатели аналогичных технологий на 120%.
Исследование было опубликовано 12 января в Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies.
Билл Йен, выпускник Северо-Запада, который руководил работой:
Количество устройств в Интернете вещей (IoT) постоянно растет.
"Если мы представляем себе будущее с триллионами этих устройств, мы не можем построить каждое из них из лития, тяжелых металлов и токсинов, которые опасны для окружающей среды".
"Нам нужно найти альтернативы, которые могут обеспечить низкое количество энергии для питания децентрализованной сети устройств. В поисках решений мы искали почвенные микробные топливные элементы, которые используют специальные микробы для расщепления почвы и использования этого низкого количества энергии для питания".
"До тех пор, пока в почве есть органический углерод для расщепления микробов, топливный элемент потенциально может длиться вечно".
Решения для грязной работы
В последние годы фермеры по всему миру все чаще принимают точное сельское хозяйство в качестве стратегии повышения урожайности.
Технологический подход основан на точном измерении уровня влаги, питательных веществ и загрязняющих веществ в почве для принятия решений, которые улучшают здоровье сельскохозяйственных культур.
Это требует широко распространенной, рассеянной сети электронных устройств для непрерывного сбора экологических данных.
Билл Йен:
"Если вы хотите разместить датчик в дикой природе, на ферме или на водно-болотных угодьях, вы обязаны поставить в него батарею или собирать солнечную энергию".
"Солнечные панели плохо работают в грязной среде, потому что они покрываются грязью, не работают, когда солнце не светит, и занимают много места. Батареи также сложны, потому что они разряжаются".
Фермеры не собираются ходить вокруг фермы площадью 100 акров, чтобы регулярно менять батареи или пыль с солнечной энергии.
Чтобы преодолеть эти проблемы, Уэллс, Йен и их сотрудники задавались вопросом, могут ли они вместо этого собирать энергию из существующей среды. Мы все равно могли бы собирать энергию из почвы, которую следят фермеры.
Работа по созданию практичного, надежного микробного топливного элемента на почве продолжалась два года.
Окончательная версия тестировалась в открытом саду.
Наилучший прототип хорошо работал в сухих условиях, а также в условиях с водой. Секрет его успеха: его геометрия. Вместо того, чтобы использовать традиционную конструкцию, в которой анод и катод параллельны друг другу, выигрышный топливный элемент использовал перпендикулярную конструкцию.
Изготовленный из углеродного войлока (недорогого, обильного проводника для захвата электронов микробов), анод горизонтально к поверхности земли. Изготовленный из инертного, проводящего металла, катод находится вертикально на вершине анода.
Несмотря на то, что все устройство зарыто, вертикальная конструкция гарантирует, что верхний конец находится на одном уровне с поверхностью земли. Крышка, напечатанная на 3D-принтере, крепится на верхней части устройства, чтобы предотвратить попадание мусора внутрь. А отверстие сверху и пустая воздушная камера, проходящая вдоль катода, обеспечивают постоянный воздушный поток.
Нижний конец катода остается расположен глубоко под поверхностью, гарантируя, что он остается увлажненным от влажной окружающей почвы - даже когда поверхностная почва высыхает при солнечном свете. Исследователи также покрыли часть катода гидроизоляционным материалом, чтобы позволить ему дышать во время наводнения. И после потенциального наводнения вертикальная конструкция позволяет катоду высыхать постепенно, а не сразу.
В среднем полученный топливный элемент генерировал в 68 раз больше энергии, чем необходимо для работы его датчиков. Он также был достаточно прочным, чтобы выдерживать большие изменения влажности почвы - от несколько сухой (41% воды по объему) до полностью под водой.
Исследователи говорят, что все компоненты для их микробного топливного элемента на почве можно приобрести в местном хозяйственном магазине. Затем они планируют разработать почвенный микробный топливный элемент, изготовленный из полностью биоразлагаемых материалов. Оба проекта обходят сложные цепочки поставок и избегают использования конфликтных полезных ископаемых.
Джозайя Хестер, бывший преподаватель Северо-Запада, который сейчас работает в Технологическом институте Джорджии:
"С пандемией COVID-19 мы все узнали о том, как кризис может нарушить глобальную цепочку поставок электроники".
"Мы хотим создать устройства, которые используют локальные цепочки поставок и недорогие материалы, чтобы вычисления были доступны для всех сообществ".