Una nuova frontiera per l’energia sostenibile
Un team di scienziati dell’Università Northwestern ha messo a punto una rivoluzionaria cella a combustibile che trae energia dai microrganismi presenti nel terreno. Questo dispositivo, che può essere facilmente trasportato come un libro tascabile, ha il potenziale di fornire energia a sensori interrati impiegati nell’agricoltura di precisione e nelle infrastrutture ecologiche, rappresentando una valida alternativa alle tradizionali batterie, le quali sono spesso fonte di inquinamento a causa delle sostanze chimiche pericolose che contengono e del loro contributo al problema dei rifiuti elettronici.
Un’innovazione nel campo dell’energia rinnovabile
I ricercatori hanno sperimentato la nuova cella a combustibile alimentando sensori capaci di misurare l’umidità del suolo e di percepire il contatto, una funzionalità che potrebbe rivelarsi utile per monitorare il movimento degli animali. Per permettere la comunicazione wireless, hanno inoltre dotato il sensore di una piccola antenna che trasmette i dati a una stazione base nelle vicinanze, utilizzando i segnali radio esistenti.
La cella a combustibile ha dimostrato di funzionare efficacemente sia in condizioni di umidità che di secchezza, superando di oltre il 120% le prestazioni di tecnologie simili. I risultati di questa ricerca verranno pubblicati oggi, 12 gennaio, e saranno disponibili per la comunità scientifica, che potrà utilizzare e migliorare ulteriormente questi studi.
Un’alternativa ecologica alle batterie
Bill Yen, ex studente della Northwestern e capo del progetto, ha sottolineato l’importanza di trovare alternative sostenibili per alimentare la crescente rete di dispositivi connessi all’Internet delle cose (IoT), evitando l’uso di litio, metalli pesanti e tossine dannose per l’ambiente. Le celle a combustibile microbiche del suolo, che sfruttano i microrganismi per degradare il carbonio organico presente nel terreno, possono potenzialmente funzionare indefinitamente, offrendo una soluzione duratura e rispettosa dell’ambiente.
La geometria vincente
Yen e il suo team hanno dedicato due anni allo sviluppo di una cella a combustibile microbica del suolo pratica e affidabile, confrontando quattro diverse versioni e raccogliendo dati sulle loro prestazioni per nove mesi. La versione finale è stata poi testata in un giardino all’aperto.
Il prototipo più efficace ha mostrato ottime prestazioni sia in condizioni di asciutto che in ambiente saturo d’acqua, grazie alla sua particolare geometria. A differenza dei design tradizionali, in cui anodo e catodo sono paralleli, la cella a combustibile di successo ha adottato una configurazione perpendicolare.
Un design innovativo per prestazioni ottimali
L’anodo, realizzato in feltro di carbonio, un conduttore abbondante ed economico, è posizionato orizzontalmente rispetto alla superficie del suolo, mentre il catodo, fatto di metallo conduttivo inerte, si trova verticalmente sopra l’anodo. Nonostante l’intero dispositivo sia sepolto, il design verticale assicura che l’estremità superiore del catodo sia a livello con la superficie del suolo, proteggendolo da detriti grazie a un cappuccio stampato in 3D. Un foro e una camera d’aria vuota lungo il catodo permettono un flusso d’aria costante.
L’estremità inferiore del catodo, nascosta sotto la superficie, rimane umida grazie al terreno circostante, anche quando la superficie si asciuga al sole. Inoltre, una parte del catodo è stata rivestita con un materiale impermeabilizzante per permettergli di “respirare” durante un’alluvione. Dopo un evento del genere, il design verticale facilita l’asciugatura graduale del catodo.
In media, la cella a combustibile ha prodotto 68 volte più energia di quella necessaria per alimentare i sensori, dimostrandosi robusta anche di fronte a grandi variazioni di umidità del suolo, da leggermente asciutto (41% di acqua in volume) a completamente sommerso.
Un futuro accessibile per il calcolo
I ricercatori sostengono che tutti i componenti necessari per la loro cella a combustibile microbica del suolo sono reperibili in un comune negozio di ferramenta. In futuro, prevedono di sviluppare una versione realizzata con materiali completamente biodegradabili, evitando così catene di approvvigionamento complesse e l’uso di minerali di conflitto.
Josiah Hester, coautore dello studio, ha evidenziato come la pandemia di COVID-19 abbia messo in luce la fragilità delle catene di approvvigionamento globali per l’elettronica, sottolineando l’importanza di costruire dispositivi che si affidino a catene di approvvigionamento locali e materiali a basso costo, rendendo il calcolo accessibile a tutte le comunità.
Lo studio ha ricevuto il supporto di diverse istituzioni, tra cui la National Science Foundation, l’Agricultural and Food Research Initiative dell’USDA National Institute of Food and Agriculture, la Alfred P. Sloan Foundation, VMware Research e 3M.