قدم باحثون من جامعة نورث وسترن خلية وقود تعمل بميكروبات التربة، متفوقة بشكل كبير على التقنيات المماثلة وتوفر حلاً مستدامًا لتشغيل الأجهزة منخفضة الطاقة، مع وصول الجمهور الكامل إلى تصميماتها للتطبيق على نطاق واسع. يبرز الغطاء المطبوع ثلاثي الأبعاد لخلية الوقود من الأرض. يمنع الغطاء دخول الحطام إلى الجهاز بينما يسمح بتدوير الهواء. الائتمان: بيل ين / جامعة نورث وسترن
قام فريق من الباحثين بقيادة جامعة نورث وسترن بتطوير خلية وقود جديدة تحصد الطاقة من الميكروبات التي تعيش في الأوساخ.
في حجم كتاب ورقي قياسي، يمكن لهذه التكنولوجيا التي تعمل بالطاقة الكاملة من التربة تشغيل أجهزة الاستشعار الموجودة تحت الأرض المستخدمة في الزراعة الدقيقة والبنية التحتية الخضراء. يمكن أن يوفر هذا بديلاً مستدامًا ومتجددًا للبطاريات، التي تحتوي على مواد كيميائية سامة وقابلة للاشتعال تتسرب إلى الأرض، ومليئة بسلاسل التوريد المليئة بالصراعات وتساهم في مشكلة النفايات الإلكترونية المتنامية باستمرار.
ولاختبار خلية الوقود الجديدة، استخدمها الباحثون لتشغيل أجهزة الاستشعار التي تقيس رطوبة التربة وتكتشف اللمس، وهي قدرة قد تكون مفيدة لتتبع الحيوانات المارة. لتمكين الاتصالات اللاسلكية، قام الباحثون أيضًا بتجهيز المستشعر الأرضي بهوائي صغير لنقل البيانات إلى محطة قاعدة قريبة من خلال عكس إشارات الترددات الراديوية الموجودة.
لم يقتصر أداء خلية الوقود في الظروف الرطبة والجافة فحسب، بل تجاوزت قوتها أيضًا التقنيات المماثلة بنسبة 120%.
سيتم نشر البحث اليوم (12 يناير) في وقائع جمعية آلات الحوسبة الخاصة بالتقنيات التفاعلية والمتنقلة والقابلة للارتداء والمنتشرة في كل مكان. يقوم مؤلفو الدراسة أيضًا بنشر جميع النماذج والبرامج التعليمية وأدوات المحاكاة، حتى يتمكن الآخرون من استخدامها والتوسع في البحث.
وقال بيل ين، خريج جامعة نورث وسترن، الذي قاد العمل: “إن عدد الأجهزة المرتبطة بإنترنت الأشياء (IoT) يتزايد باستمرار”. “إذا تخيلنا مستقبلاً بمليارات من هذه الأجهزة، فلن نتمكن من صنع كل واحدة منها من الليثيوم والمعادن الثقيلة والسموم الخطرة على البيئة. نحن بحاجة إلى إيجاد بدائل يمكنها توفير كميات صغيرة من الطاقة لتشغيل شبكة لا مركزية من الأجهزة. بحثًا عن حلول، لجأنا إلى خلايا الوقود الميكروبية الموجودة في التربة، والتي تستخدم ميكروبات خاصة لتحليل التربة واستخدام تلك الكمية الصغيرة من الطاقة لتشغيل أجهزة الاستشعار. وطالما يوجد كربون عضوي في التربة لتحلل الميكروبات، فمن المحتمل أن تستمر خلية الوقود إلى الأبد. »
وقام بيل ين، المؤلف الرئيسي للدراسة، بدفن خلية الوقود أثناء الاختبارات المعملية في جامعة نورث وسترن. الائتمان: جامعة نورث وسترن
«هذه الميكروبات منتشرة في كل مكان؛ وقال جورج ويلز، من جامعة نورثويسترن، المؤلف الرئيسي للدراسة: “إنهم يعيشون بالفعل في التربة في كل مكان”. “يمكننا استخدام أنظمة تقنية بسيطة للغاية للحصول على الكهرباء. لن نقوم بتزويد مدن بأكملها بهذه الطاقة. ولكن يمكننا التقاط كميات صغيرة من الطاقة لتشغيل التطبيقات العملية منخفضة الطاقة.
ويلز هو أستاذ مشارك في الهندسة المدنية والبيئية في كلية ماكورميك للهندسة في نورث وسترن. حاصل الآن على درجة الدكتوراه. بدأ ين، وهو طالب في جامعة ستانفورد، هذا المشروع عندما كان باحثًا جامعيًا في مختبر ويلز.
حلول لوظيفة قذرة
في السنوات الأخيرة، اعتمد المزارعون في جميع أنحاء العالم بشكل متزايد على الزراعة الدقيقة كاستراتيجية لتحسين المحاصيل الزراعية. ويعتمد النهج التكنولوجي على قياس مستويات دقيقة من الرطوبة والمواد المغذية والملوثات في التربة لاتخاذ قرارات تعمل على تحسين صحة المحاصيل. ويتطلب ذلك شبكة كبيرة ومتفرقة من الأجهزة الإلكترونية لجمع البيانات البيئية بشكل مستمر.
وقال ين: “إذا كنت ترغب في تركيب جهاز استشعار في الطبيعة، في مزرعة أو في أرض رطبة، فأنت مجبر على تركيب بطارية هناك أو حصاد الطاقة الشمسية”. “لا تعمل الألواح الشمسية بشكل جيد في البيئات القذرة لأنها مغطاة بالتراب، ولا تعمل عندما تكون الشمس خارجة، وتشغل مساحة كبيرة. البطاريات هي أيضا مشكلة لأنها نفاد الطاقة. لن يتجول المزارعون حول مزرعة مساحتها 100 فدان ليقوموا بانتظام باستبدال البطاريات أو إزالة الألواح الشمسية.
وللتغلب على هذه التحديات، تساءل ويلز وين ومعاونوهم عما إذا كان بإمكانهم بدلاً من ذلك حصاد الطاقة من البيئة الحالية. وقال ين: “يمكننا حصد الطاقة من التربة التي يراقبها المزارعون على أي حال”.
“الجهود المحظورة”
ظهرت خلايا الوقود الميكروبية القائمة على التربة (MFCs) لأول مرة في عام 1911، وتعمل مثل البطارية: مع القطب الموجب، والكاثود، والكهارل. ولكن بدلاً من استخدام المواد الكيميائية لتوليد الكهرباء، تقوم الخلايا MFC بجمع الكهرباء من البكتيريا التي تتبرع بشكل طبيعي بالإلكترونات إلى الموصلات القريبة. عندما تتدفق هذه الإلكترونات من القطب الموجب إلى القطب السالب، فإنها تشكل دائرة كهربائية.
خلية الوقود مغطاة بالتراب بعد استخراجها من الأرض لدراستها. الائتمان: بيل ين / جامعة نورث وسترن
ولكن لكي تعمل خلايا الوقود الميكروبية بشكل مستمر، فإنها تحتاج إلى البقاء رطبة ومزودة بالأكسجين، وهو أمر صعب عندما يتم دفنها تحت الأرض في الأرض الجافة.
وقال ين: “على الرغم من وجود الخلايا الجذعية المتعددة الأطراف كمفهوم منذ أكثر من قرن من الزمان، إلا أن أدائها غير الموثوق به وانخفاض إنتاج الطاقة أحبط الجهود المبذولة لاستخدامها عمليًا، خاصة في ظروف الرطوبة المنخفضة”.
هندسة الفوز
مع أخذ هذه التحديات في الاعتبار، شرع ين وفريقه في رحلة مدتها سنتان لتطوير MFC عملي وموثوق قائم على الأرضية. وتضمنت رحلته إنشاء – ومقارنة – أربعة إصدارات مختلفة. أولاً، جمع الباحثون تسعة أشهر من البيانات المجمعة حول أداء كل تصميم. ثم قاموا باختبار نسختهم النهائية في حديقة خارجية.
كان أداء النموذج الأولي الأفضل أداءً جيدًا في الظروف الجافة وكذلك في البيئة المشبعة بالمياه. سر نجاحها: هندستها. فبدلاً من استخدام التصميم التقليدي، الذي يكون فيه الأنود والكاثود متوازيين مع بعضهما البعض، استغلت خلية الوقود الفائزة التصميم المتعامد.
مصنوع من لباد الكربون (موصل غير مكلف ومتوفر لالتقاط الإلكترونات من الميكروبات)، ويكون الأنود أفقيًا على سطح الأرض. يتكون الكاثود من معدن موصل خامل، ويوضع عموديًا فوق الأنود.
على الرغم من أن الجهاز بأكمله مدفون، إلا أن التصميم الرأسي يضمن أن يكون الطرف العلوي متسقًا مع سطح الأرض. يوجد غطاء مطبوع ثلاثي الأبعاد أعلى الجهاز لمنع سقوط الحطام بداخله. والثقب الموجود في الأعلى وغرفة الهواء الفارغة التي تمتد على طول الكاثود تسمح بتدفق الهواء المستمر.
ويظل الطرف السفلي من الكاثود متوضعًا عميقًا تحت السطح، مما يضمن بقاءه رطبًا بواسطة التربة الرطبة المحيطة، حتى عندما تجف التربة السطحية في الشمس. كما قام الباحثون بتغطية جزء من الكاثود بمادة عازلة للماء للسماح له بالتنفس في حالة حدوث فيضانات. وبعد حدوث فيضان محتمل، يسمح التصميم العمودي للكاثود بأن يجف تدريجيًا وليس مرة واحدة.
وفي المتوسط، ولدت خلية الوقود الناتجة طاقة أكثر بـ 68 مرة من الطاقة اللازمة لتشغيل أجهزة الاستشعار الخاصة بها. كما أنها كانت قوية بما يكفي لتحمل التغيرات الكبيرة في رطوبة التربة – من الجفاف قليلاً (41% ماء من حيث الحجم) إلى المغمورة بالكامل.
جعل تكنولوجيا المعلومات في متناول الجميع
يقول الباحثون أنه يمكن شراء جميع مكونات MFC القائمة على التربة من متجر الأجهزة المحلي. بعد ذلك، يخططون لتطوير MFC قائم على التربة ومصنوع من مواد قابلة للتحلل بالكامل. ويتجاوز كلا التصميمين سلاسل التوريد المعقدة ويتجنبان استخدام معادن الصراع.
“مع ال كوفيد-19 وقال المؤلف المشارك في الدراسة يوشيا هيستر، عضو هيئة التدريس السابق في جامعة نورث وسترن والذي يعمل الآن في معهد جورجيا للتكنولوجيا: “لقد أصبحنا جميعًا على دراية بكيفية قيام الأزمة بتعطيل سلسلة توريد الإلكترونيات العالمية”. “نريد أن نبني أجهزة تستخدم سلاسل التوريد المحلية ومواد منخفضة التكلفة بحيث تكون الحوسبة في متناول جميع المجتمعات.”
المرجع: “الحوسبة التي تعمل بالتربة” بقلم بيل ين، ولورا جليف، ولويس جوتيريز، وفيلوثي ساهينيديس، وسادي بيرنشتاين، وجون مادن، وستيفن تايلور، وكولين جوزيفسون، وبات بانوتو، وويتاو شواي، وجورج ويلز، ونيفيديتا أرورا، وجوسيا هيستر، 11 يناير. 2024, وقائع ACM بشأن التقنيات التفاعلية والمتنقلة والقابلة للارتداء والمنتشرة في كل مكان.
دوى: 10.1145/3631410
تم دعم الدراسة من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (رقم الجائزة CNS-2038853)، ومبادرة البحوث الزراعية والغذائية (رقم الجائزة 2023-67021-40628) التابعة للمعهد الوطني للأغذية والزراعة التابع لوزارة الزراعة الأمريكية، ومؤسسة ألفريد بي سلون، أبحاث VMware و 3M.
