Επιστήμονες εφεύραν μία κυψέλη καυσίμου που τροφοδοτείται με μικρόβια και ακαθαρσίες από το χώμα και μπορεί να παράγει ρεύμα για πάντα.
Μια ομάδα ερευνητών υπό την ηγεσία του Πανεπιστημίου Northwestern ανέπτυξε μια νέα κυψέλη καυσίμου (fuel cell) που συλλέγει ενέργεια από μικρόβια που ζουν στη βρωμιά. Μπορεί και παράγει ηλεκτρικό ρεύμα αστείρευτα.
Με μέγεθος όσο ένα τυπικό χαρτόδετο βιβλίο το ρεύμα που μπορεί να παράγει είναι με μικρή διαφορά δυναμικού αλλά δεδομένου ότι δεν σταματάει ποτέ θα μπορούσε να τροφοδοτήσει υπόγειους αισθητήρες που χρησιμοποιούνται στη γεωργία και στους βιοκαλλιέργειες.
Δυνητικά θα μπορούσε να προσφέρει μια βιώσιμη, ανανεώσιμη εναλλακτική λύση στις μπαταρίες, οι οποίες συγκρατούν τοξικές, εύφλεκτες χημικές ουσίες που διοχετεύονται στο έδαφος, που αφήνουν το ενεργειακό αποτύπωμά τους από την κατασκευή τους έως την απόρριψή τους.
Για όσους δεν γνωρίζουν μία τυπική κλασσική κυψέλη καυσίμου αποτελείται από ένα μηχανισμό για μετατροπή του υδρογόνου και οξυγόνου σε νερό, παράγοντας ταυτόχρονα με τη διαδικασία αυτή, ηλεκτρισμό και θερμότητα. Η διαδικασία είναι καθαρά χημική, δεν υπάρχει ουδεμία καύση και ανάγκη για ύπαρξη εξάτμισης.
Η fuel cell όμως αυτή είναι αρκετά διαφορετική, ονομάζεται Μικροβιακή Κυψέλη Καυσίμου (Microbial Fuel Cell – MFC), και αντί για υδρογόνο χρησιμοποιεί ειδικά μικρόβια τα οποία διασπούν το έδαφος. Όσο υπάρχει οργανικός άνθρακας στο έδαφος για να μπορούν να τον διασπαστούν τα μικρόβια, η μικροβιακή κυψέλη καυσίμου μπορεί να εργάζεται για πάντα.
Αυτά τα μικρόβια είναι πανταχού παρόντα. Ζουν ήδη στο έδαφος παντού και μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πολύ απλά μηχανικά συστήματα για να συλλάβουμε την ηλεκτρική τους ενέργεια. Δεν μπορούμε να τροφοδοτήσουμε ολόκληρες πόλεις με αυτή την ενέργεια, αλλά μπορούμε να συλλάβουμε τις ελάχιστες ποσότητες ενέργειας για να τροφοδοτήσουμε πρακτικές εφαρμογές χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας.
Σχεδιασμός και υλοποίηση
Κάνοντας την πρώτη τους εμφάνιση το 1911, οι μικροβιακές κυψέλες καυσίμου με καύσιμο το έδαφος (Microbial Fuel Cell – MFC) λειτουργούν σαν μπαταρία, με άνοδο, κάθοδο και ηλεκτρολύτη. Αλλά αντί να χρησιμοποιούν χημικά για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, τα MFC συλλέγουν ηλεκτρική ενέργεια από βακτήρια που εκ φύσεως δωρίζουν ηλεκτρόνια τριγύρω τους. Όταν αυτά τα ηλεκτρόνια ρέουν από την άνοδο προς την κάθοδο, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό κύκλωμα.
Αλλά για να λειτουργούν οι μικροβιακές κυψέλες καυσίμου χωρίς διακοπή, πρέπει να παραμείνουν ενυδατωμένες και οξυγονωμένες, κάτι που είναι δύσκολο όταν είναι θαμμένες υπόγεια μέσα σε ξηρή βρωμιά.
Έχοντας κατά νου αυτές τις προκλήσεις, η ομάδα κατάφερε να την κάνει να λειτουργήσει καλά σε ξηρές συνθήκες καθώς και σε περιβάλλον γεμάτο νερό. Το μυστικό πίσω από την επιτυχία της: Η γεωμετρία του. Αντί να χρησιμοποιήσει έναν παραδοσιακό σχεδιασμό, στον οποίο η άνοδος και η κάθοδος είναι παράλληλες μεταξύ τους, η νέα κυψέλη καυσίμου απόκτησε μια κάθετη σχεδίαση.
Κατασκευασμένη από τσόχα άνθρακα (ένας φθηνός, άφθονος αγωγός για τη σύλληψη των ηλεκτρονίων των μικροβίων), η άνοδος είναι οριζόντια στην επιφάνεια του εδάφους. Κατασκευασμένη από ένα αδρανές, αγώγιμο μέταλλο, η κάθοδος βρίσκεται κάθετα πάνω στην άνοδο.
Αν και ολόκληρη η συσκευή είναι θαμμένη, ο κατακόρυφος σχεδιασμός διασφαλίζει ότι το επάνω άκρο είναι στο ίδιο επίπεδο με την επιφάνεια του εδάφους. Ένα τρισδιάστατα εκτυπωμένο καπάκι στηρίζεται στην κορυφή της συσκευής για να αποτρέψει την βύθισή της στο χώμα. Και μια τρύπα στην κορυφή και ένας άδειος θάλαμος αέρα που υπάρχει δίπλα στην κάθοδο επιτρέπουν μία συνεπή ροή αέρα.
Το κάτω άκρο της καθόδου παραμένει φωλιασμένο βαθιά κάτω από την επιφάνεια, διασφαλίζοντας ότι παραμένει ενυδατωμένο από το υγρό, εδαφικό περιβάλλον , ακόμη και όταν το επιφανειακό έδαφος στεγνώνει στο φως του ήλιου. Οι ερευνητές επικάλυψαν επίσης μέρος της καθόδου με στεγανωτικό υλικό για να της επιτρέψουν να αναπνέει κατά τη διάρκεια μιας πλημμύρας. Και, μετά από μια πιθανή πλημμύρα, ο κατακόρυφος σχεδιασμός επιτρέπει στην κάθοδο να στεγνώσει σταδιακά και όχι ταυτόχρονα.
Αποτελέσματα
Κατά μέσο όρο, η κυψέλη καυσίμου που προέκυψε παρήγαγε 68 φορές περισσότερη ισχύ από αυτή που χρειαζόταν για τη λειτουργία των αισθητήρων της. Ήταν επίσης αρκετά στιβαρή ώστε να αντέχει σε μεγάλες αλλαγές στην υγρασία του εδάφους, από κάπως ξηρό (41% νερό κατ' όγκο) έως εντελώς υποβρύχιο.
Λειτούργησε τόσο σε υγρές όσο και σε στεγνές συνθήκες, και η ισχύς της ξεπέρασε επίσης παρόμοιες τεχνολογίες κατά 120%. Την νέα μικροβιακή κυψέλη καυσίμου, οι ερευνητές τη χρησιμοποίησαν για να τροφοδοτήσουν αισθητήρες που μετρούν την υγρασία του εδάφους και ανιχνεύουν την επαφή, μια ικανότητα που θα μπορούσε να είναι πολύτιμη για την παρακολούθηση διερχόμενων ζώων.
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στις 12 Ιανουαρίου στο Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Οι συγγραφείς της μελέτης επίσης δημοσιεύουν όλα τα σχέδια, τα σεμινάρια και τα εργαλεία προσομοίωσης, έτσι ώστε άλλοι επιστήμονες να μπορούν να χρησιμοποιήσουν και να βασιστούν στην έρευνα τους.
Οι ερευνητές λένε ότι όλα τα εξαρτήματα για το MFC μπορούν να αγοραστούν σε ένα τοπικό κατάστημα με απλά υλικά. Τα επόμενά τους σχέδια είναι να αναπτύξουν ένα νέο MFC κατασκευασμένο από πλήρως βιοδιασπώμενα υλικά.
