Des scientifiques développent une nouvelle pile à combustible alimentée par la terre et qui fonctionne indéfiniment

Une équipe de chercheurs dirigée par l'Université Northwestern a développé une nouvelle pile à combustible qui récupère l'énergie des microbes vivant dans la saleté.

De la taille d'un livre papier ordinaire, cette technologie basée sur le sol pourrait alimenter des capteurs souterrains utilisés dans l'agriculture de précision et les infrastructures vertes. Cela constitue potentiellement une alternative durable et renouvelable aux batteries, qui contiennent des produits chimiques toxiques et inflammables qui s'infiltrent dans le sol, sont semées de chaînes d'approvisionnement en proie à des conflits et contribuent au problème toujours croissant des déchets électroniques.

Pour tester la nouvelle pile à combustible, les chercheurs l'ont utilisée pour alimenter des capteurs qui mesurent l'humidité du sol et détectent le toucher, une capacité qui pourrait être utile pour suivre les animaux qui passent. Pour permettre les communications sans fil, les chercheurs ont également équipé le capteur basé sur le sol d'une petite antenne pour transmettre des données à une station de base proche en réfléchissant les signaux radiofréquences existants.

Non seulement la pile à combustible a fonctionné dans des conditions humides et sèches, mais sa puissance a également dépassé de 120 % les technologies similaires.

La recherche sera publiée aujourd'hui (12 janvier) dans les actes de l'Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable, and Ubiquitous Technologies. Les auteurs de l’étude rendent également publics tous les modèles, didacticiels et outils de simulation, afin que d’autres puissent utiliser et développer la recherche.

« Le nombre d'appareils connectés à l'Internet des objets (IoT) ne cesse de croître », a déclaré Bill Yen, un étudiant diplômé de l'Université Northwestern qui a dirigé les travaux. « Si nous imaginons un avenir avec des milliards de ces appareils, nous ne pourrons pas fabriquer chacun d'entre eux en utilisant du lithium, des métaux lourds et des toxines qui présentent un risque pour l'environnement. Nous devons trouver des alternatives capables de fournir de faibles quantités de énergie pour alimenter un réseau décentralisé d'appareils. Dans notre recherche de solutions, nous avons examiné les piles à combustible microbiennes du sol, qui utilisent des microbes spéciaux pour décomposer le sol et utilisent cette faible quantité d'énergie pour alimenter les capteurs. Tant qu'il y a du carbone organique dans le sol pour que les microbes se décomposent, la pile à combustible peut potentiellement durer éternellement.

Bill Yen, l'auteur principal de l'étude, a enterré la pile à combustible lors d'essais en laboratoire à l'Université Northwestern. Crédit : Université Northwestern

« Ces microbes sont partout. Ils vivent partout dans le sol », a déclaré George Wells de l'Université Northwestern, auteur principal de l'étude. « Nous pouvons utiliser des systèmes d'ingénierie très simples pour obtenir de l'électricité. Nous ne fournirons pas cette énergie à des villes entières. Mais nous pouvons capter d’infimes quantités d’énergie pour alimenter des applications pratiques à faible consommation.

Wells est professeur agrégé de génie civil et environnemental à la McCormick School of Engineering de Northwestern. Maintenant titulaire d'un doctorat. Yin, étudiant à l'Université de Stanford, a commencé ce projet alors qu'il était chercheur de premier cycle dans le laboratoire de Wells.

Des solutions pour un sale boulot

Ces dernières années, les agriculteurs du monde entier ont de plus en plus adopté l’agriculture de précision comme stratégie visant à améliorer les rendements agricoles. L’approche technologique repose sur la mesure des niveaux précis d’humidité, de nutriments et de polluants dans le sol pour prendre des décisions favorables à la santé des cultures. Cela nécessite un réseau vaste et dispersé d’appareils électroniques pour collecter en permanence des données environnementales.

« Si vous souhaitez installer un capteur dans la nature, dans une ferme ou dans une zone humide, vous êtes limité à y installer une batterie ou à récolter l'énergie solaire », a déclaré Yen. « Les panneaux solaires ne fonctionnent pas bien dans des environnements sales car ils sont couverts de saleté, ils ne fonctionnent pas lorsque le soleil n'est pas au rendez-vous et ils prennent beaucoup de place. Les batteries constituent également un défi car elles manquent d'énergie. Les agriculteurs ne se promèneront pas régulièrement dans une ferme de 100 acres pour remplacer les batteries ou épousseter les panneaux solaires.

Pour surmonter ces défis, Wells, Wayne et leurs collaborateurs se sont demandés s'ils pouvaient plutôt récupérer l'énergie de l'environnement existant. « Nous pouvons de toute façon récupérer l'énergie du sol que les agriculteurs surveillent », a déclaré Yen.

« Des efforts frustrés »

Faisant leur début en 1911, les piles à combustible microbiennes (MFC) basées sur le sol fonctionnent comme une batterie : avec une anode, une cathode et un électrolyte. Mais au lieu d’utiliser des produits chimiques pour produire de l’électricité, les MFC collectent l’électricité auprès de bactéries qui donnent naturellement des électrons aux conducteurs proches. Lorsque ces électrons circulent de l’anode à la cathode, ils forment un circuit électrique.

La pile à combustible est recouverte de terre après avoir été extraite du sol pour des études. Crédit : Bill Yen/Université Northwestern

Mais pour que les piles à combustible microbiennes fonctionnent sans interruption, elles doivent rester humides et alimentées en oxygène, ce qui est difficile lorsqu’elles sont enfouies sous terre dans de la terre sèche.

« Bien que le concept des MSC existe depuis plus d'un siècle, leurs performances peu fiables et leur faible capacité de production ont contrecarré les efforts visant à les utiliser de manière pratique, en particulier dans des conditions de faible humidité », a déclaré Yin.

Ingénierie gagnante

Ayant ces défis à l’esprit, Yin et son équipe se sont lancés dans un voyage de deux ans pour développer une cellule MFC à base de sol pratique et fiable. Son parcours a consisté à créer – et à comparer – quatre versions différentes. Premièrement, les chercheurs ont collecté neuf mois de données sur les performances de chaque conception. Ils ont ensuite testé leur version finale dans un parc extérieur.

Le prototype le plus performant s’est bien comporté dans des conditions sèches ainsi que dans un environnement submergé. Le secret de son succès : son ingénierie. Au lieu d’utiliser la conception traditionnelle, où l’anode et la cathode sont parallèles l’une à l’autre, la pile à combustible gagnante a utilisé une conception orthogonale.

Fabriquée en feutre de carbone (un conducteur facilement disponible et peu coûteux pour capturer les électrons microbiens), l'anode est horizontale par rapport au sol. La cathode est constituée d'un métal inerte et conducteur et est placée verticalement au-dessus de l'anode.

Bien que l'ensemble de l'appareil soit enterré, la conception verticale garantit que l'extrémité supérieure affleure la surface du sol. Il y a un couvercle imprimé en 3D sur le dessus de l'appareil pour empêcher les débris de tomber à l'intérieur. Le trou en haut et la chambre à air vide située à côté de la cathode permettent un flux d'air constant.

L'extrémité inférieure de la cathode reste positionnée profondément sous la surface, garantissant qu'elle reste humide du sol humide environnant, même lorsque la couche arable sèche au soleil. Les chercheurs ont également recouvert une partie de la cathode d’un matériau imperméabilisant pour lui permettre de respirer lors de l’inondation. Après une inondation potentielle, la conception verticale permet à la cathode de sécher progressivement plutôt que d'un seul coup.

En moyenne, la pile à combustible résultante a généré 68 fois plus d’énergie que celle nécessaire au fonctionnement de ses capteurs. Il était également suffisamment robuste pour résister à d’importants changements d’humidité du sol – de légèrement sec (41 % d’eau en volume) à complètement immergé.

Rendre l'informatique accessible à tous

Tous les composants du MFC à base de sol peuvent être achetés dans une quincaillerie locale, disent les chercheurs. Ensuite, ils prévoient de développer un MFC à base de sol et composé de matériaux entièrement biodégradables. Les deux conceptions contournent les chaînes d’approvisionnement complexes et évitent l’utilisation de minerais de conflit.

« Avec le COVID-19[feminine « Nous avons tous pris conscience de la façon dont une crise peut perturber la chaîne d'approvisionnement mondiale en électronique », a déclaré Josiah Hester, co-auteur de l'étude et ancien membre du corps professoral de l'Université Northwestern qui travaille maintenant au Georgia Institute of Technology. « Nous voulons construire des appareils qui utilisent des chaînes d'approvisionnement locales et des matériaux à faible coût afin que l'informatique soit accessible à toutes les communautés. »

Référence : « Soil-Powered Computing » par Bill Yen, Laura Gleave, Luis Gutierrez, Veluthi Sahinidis, Sadie Bernstein, John Madden, Steven Taylor, Colin Josephson, Pat Panuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora et Josiah Hester, janvier 11 . 2024, Actes de l'ACM sur les technologies interactives, mobiles, portables et omniprésentes.
est ce que je: 10.1145/3631410

L'étude a été soutenue par la National Science Foundation (prix n° CNS-2038853), l'Initiative de recherche agricole et alimentaire (prix n° 2023-67021-40628) de l'Institut national de l'alimentation et de l'agriculture de l'USDA, la Fondation Alfred P. Sloan. et VMware. Recherche et 3M.