Esse sistema movido a solo foi projetado para alimentar sensores subterrâneos usados na agricultura de precisão e no monitoramento ambiental. Ele representa uma alternativa potencial às baterias tradicionais, que contêm materiais tóxicos e inflamáveis, dependem de complexas cadeias de suprimentos globais e contribuem para o crescente desperdício eletrônico.

Fontes de Energia para Sensores Sem Baterias

Para demonstrar suas capacidades, a equipe utilizou a célula de combustível para operar sensores que medem a umidade do solo e detectam toques. Essa capacidade de detecção de toque pode ajudar a monitorar o movimento da fauna, como animais que atravessam um campo. O sistema também inclui uma pequena antena que transmite dados sem fio ao refletir sinais de frequência de rádio existentes, mantendo o consumo de energia extremamente baixo.

O dispositivo se mostrou confiável em uma ampla variedade de condições. Ele funcionou tanto em solos secos quanto em ambientes alagados, e produziu mais energia de forma sustentada do que sistemas semelhantes, durando cerca de 120% mais.

A pesquisa foi publicada nos Atas da Associação para Maquinários de Computação em Tecnologias Interativas, Móveis, Vestíveis e Ubíquas. Os pesquisadores também disponibilizaram publicamente seus designs, tutoriais e ferramentas de simulação para que outros possam construir sobre esse trabalho.

A Importância dos Microbios do Solo para a Internet das Coisas

“O número de dispositivos na Internet das Coisas (IoT) está em constante crescimento”, afirmou Bill Yen, ex-aluno da Northwestern e líder da pesquisa. “Se imaginarmos um futuro com trilhões desses dispositivos, não podemos construir cada um deles utilizando lítio, metais pesados e toxinas que são perigosas para o meio ambiente. Precisamos encontrar alternativas que possam fornecer pequenas quantidades de energia para alimentar uma rede descentralizada de dispositivos. Em busca de soluções, olhamos para as células de combustível microbianas do solo, que utilizam micróbios especiais para decompor o solo e usar essa pequena quantidade de energia para alimentar sensores. Enquanto houver carbono orgânico no solo para os micróbios decomporem, a célula de combustível pode potencialmente durar para sempre.”

As células de combustível microbianas, muitas vezes chamadas de MFCs, funcionam de maneira semelhante a uma bateria. Elas incluem um ânodo, cátodo e eletrólito, mas em vez de reações químicas, contam com bactérias que liberam naturalmente elétrons. Quando esses elétrons se movem pelo sistema, eles geram uma corrente elétrica.

“Esses microrganismos são ubíquos; eles já existem no solo em todo lugar”, disse George Wells, autor sênior do estudo na Northwestern. “Podemos usar sistemas muito simples e projetados para capturar sua eletricidade. Não vamos conseguir alimentar cidades inteiras com essa energia. Mas podemos capturar pequenas quantidades de energia para aplicações práticas de baixo consumo.”

Desafios com Sensores Movidos a Energia Solar e Baterias

A agricultura de precisão depende de grandes redes de sensores que monitoram continuamente as condições do solo, como umidade, nutrientes e contaminantes. Esses dados ajudam os agricultores a tomar decisões mais informadas e aumentar a produtividade das colheitas.

Entretanto, alimentar esses sensores representa um grande desafio. As baterias eventualmente se esgotam e precisam ser substituídas, o que é impraticável em grandes propriedades. Os painéis solares também podem ser pouco confiáveis, pois ficam sujos, dependem da luz solar e ocupam espaço.

“Se você deseja colocar um sensor em ambientes externos, como em uma fazenda ou em um pântano, você precisa restringir-se a inserir uma bateria ou coletar energia solar”, disse Yen. “Os painéis solares não funcionam bem em ambientes sujos porque ficam cobertos de sujeira, não operam quando o sol não está presente e ocupam muito espaço. As baterias também apresentam desafios, pois se esgotam. Os agricultores não vão ficar percorrendo uma fazenda de 100 acres para trocar baterias ou limpar os painéis solares.”

A equipe, portanto, concentrou-se em captar energia diretamente do solo, transformando o ambiente em fonte de energia.

Por que Células de Combustível Microbianas Anteriores Não Funcionaram Adequadamente

Células de combustível microbianas baseadas no solo existem desde 1911, mas lutaram para fornecer desempenho consistente. Esses sistemas precisam de umidade e oxigênio para funcionar adequadamente, o que pode ser difícil de manter sob a terra, especialmente em condições secas.

“Embora as MFCs existam como conceito há mais de um século, seu desempenho não confiável e baixa potência têm dificultado esforços para torná-las práticas, especialmente em condições de baixa umidade”, disse Yen.

Um Novo Design Melhora o Desempenho

Para resolver esses problemas, a equipe passou dois anos desenvolvendo e testando diferentes designs. Eles compararam quatro versões e coletaram nove meses de dados de desempenho antes de selecionar um protótipo final, que testaram ao ar livre.

A descoberta veio de uma alteração na geometria. Em vez de colocar o ânodo e o cátodo paralelamente, o novo design os posiciona perpendicularmente.

O ânodo, feito de feltro de carbono (um condutor barato e abundante para capturar os elétrons dos micróbios), fica horizontalmente sob o solo. O cátodo, feito de um metal condutivo, se estende verticalmente até a superfície.

Essa estrutura ajuda a resolver vários problemas simultaneamente. A parte superior do dispositivo permanece exposta ao ar, garantindo um suprimento constante de oxigênio. Ao mesmo tempo, a parte inferior fica enterrada em solo úmido, mantendo a hidratação mesmo em condições secas. Uma tampa protetora evita que detritos entrem, enquanto uma pequena câmara de ar permite a circulação de ar.

O design também melhora a resistência durante inundações. Um revestimento à prova d’água permite que o cátodo continue funcionando, e a disposição vertical ajuda-o a secar gradualmente após a água recuar.

Resultados Sólidos em Condições Reais

O protótipo final mostrou um bom desempenho em uma ampla gama de condições do solo, desde solo moderadamente seco (41% de água em volume) até ambientes completamente submersos. Em média, ele gerou 68 vezes mais energia do que o necessário para operar seus sensores.

Esses resultados sugerem que o sistema é robusto o suficiente para implantação no mundo real em campos agrícolas ou ambientes naturais.

Pesquisa em Andamento e Potencial Futuro

Desde a primeira publicação do estudo, o interesse em células de combustível microbianas continua crescendo. Os pesquisadores estão trabalhando para melhorar a eficiência, estabilidade e materiais, inclusive explorando designs biodegradáveis que poderiam reduzir ainda mais o impacto ambiental.

A equipe da Northwestern observa que todas as partes do seu sistema podem ser obtidas de materiais comuns encontrados em lojas de ferramentas. Eles agora buscam criar versões totalmente biodegradáveis que evitem cadeias de suprimentos complexas e minerais em conflito.

“Com a pandemia da COVID-19, todos nos familiarizamos com como uma crise pode desestabilizar a cadeia de suprimentos global para eletrônicos”, disse Josiah Hester, coautor do estudo, um ex-membro da faculdade da Northwestern que agora está no Instituto de Tecnologia da Georgia. “Queremos construir dispositivos que utilizem cadeias de suprimento locais e materiais de baixo custo, tornando a computação acessível para todas as comunidades.”

Embora a tecnologia não tenha a intenção de alimentar sistemas grandes, pode desempenhar um papel importante no suporte a dispositivos de baixo consumo em áreas como agricultura, monitoramento ambiental e a crescente Internet das Coisas.

Pontos-Chave

• Cientistas criaram uma nova célula de combustível que utiliza micróbios do solo para gerar eletricidade.
• O sistema pode alimentar sensores subterrâneos que monitoram a umidade do solo e até detectam movimento ou toque.
• Ele continua funcionando em uma ampla gama de condições, desde solo seco até ambientes completamente alagados.
• Essa tecnologia pode oferecer uma alternativa mais limpa às baterias para sensores usados na agricultura de precisão.

O estudo, “Computação alimentada pelo solo: O guia do engenheiro para design prático de célula de combustível microbiana do solo,” foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciência (número do prêmio CNS-2038853), pela Iniciativa de Pesquisa Agrícola e Alimentar (número do prêmio 2023-67021-40628) do USDA Instituto Nacional de Agricultura e Alimentos, pela Fundação Alfred P. Sloan, VMware Research e 3M.