گجت نیوز آخرین اخبار تکنولوژی، علم و خودرو 
دانشمندان موفق به تولید انرژی از خاک شده و تحول تازه و بزرگی در مسیر توسعه فناوریهای سبز و پاک رقم زدهاند.
تیمی از پژوهشگران دانشگاه نورث وسترن موفق به ساخت سلول سوختی نوآورانهای شدهاند که از میکروبهای طبیعی خاک برای تولید برق استفاده میکند. این دستگاه، به اندازه یک کتاب جیبی، انرژی تولید میکند و این انرژی از تجزیه مواد آلی توسط میکروبها در خاک آزاد میشود. به عبارت دیگر، این سلول سوختی کوچک با بهرهگیری از فعالیت طبیعی میکروبها، برق تولید میکند.
این سیستم تولید انرژی از خاک برای تغذیه حسگرهای زیرسطحی به کار میرود که در صنعت کشاورزی و رصد محیط زیست استفاده میشوند. این فناوری میتواند جایگزینی پایدار برای باتریهای سنتی باشد. اغلب باتریهای سنتی با چالش سمی و قابل اشتعال بودن، پیچیدگی زنجیره تأمین جهانی و تولید ضایعات الکترونیکی مواجه هستند و این سیستم نوآورانه میتواند پایان دهنده این بحران باشد.
تولید انرژی از خاک
برای نشان دادن تواناییهای این سلول سوختی خاکی، تیم پژوهشی آن را برای راهاندازی حسگرهایی به کار برد که رطوبت خاک را اندازهگیری کرده و لمس شدن را تشخیص میدهند. قابلیت تشخیص لمس این سیستم میتواند به پایش حرکت حیوانات وحشی، مثل عبور آنها از زمینهای کشاورزی کمک کند. علاوه بر این، یک آنتن کوچک دادهها را به صورت بیسیم و با بازتاب سیگنالهای رادیویی موجود ارسال میکند که مصرف انرژی را به حداقل میرساند و کارایی سیستم را به طور چشمگیری افزایش میدهد.
این سلول سوختی خاکی در طیف وسیعی از شرایط محیطی عملکرد قابل اعتمادی از خود نشان داد. چه در خاک خشک و چه در مناطق سیلابی، سیستم، انرژی پایدارتری نسبت به نمونههای مشابه ارائه داد و طول عمر عملکرد آن حدود 120 درصد بیشتر بود.
- با بزرگترین شرکتهای فعال در زمینه تولید انرژی های تجدید پذیر آشنا شوید
- تاثیرات شگفتانگیز استفاده از انرژی های تجدید پذیر برای تامین نیاز 99 درصد جهان به انرژی
نقش میکروبهای خاک در اینترنت اشیاء
به گفته بیل ین، فارغ التحصیل دانشگاه نورث وسترن و سرپرست این تحقیق، تعداد دستگاههای اینترنت اشیاء به طور پیوسته در حال افزایش است. اگر آیندهای با تریلیونها دستگاه را تصور کنیم، نمیتوان همه آنها را با لیتیوم، فلزات سنگین و مواد سمی ساخت که برای محیط زیست خطرناک محسوب میشوند. به باور این پژوهشگر باید جایگزینهایی پیدا کنیم که انرژی کم اما کافی برای تغذیه یک شبکه غیرمتمرکز از دستگاهها فراهم کنند.
براساس اعلام بیل ین، در جستجوی راه حل فوق، به سلولهای سوختی میکروبی خاک رسیدیم. این سلولها با استفاده از میکروبهای خاصی، خاک را تجزیه میکنند و انرژی اندکی که از این فرایند آزاد میشود، حسگرها را تغذیه میکند. تا زمانی که کربن آلی در خاک وجود داشته باشد، این سلولهای سوختی میتوانند عملا به طور نامحدود کار کنند.
سلولهای سوختی میکروبی عملکردی شبیه باتری دارند. این سیستمها شامل آند، کاتد و الکترولیت هستند، اما به جای اتکا به واکنشهای شیمیایی از باکتریهایی بهره میبرند که به طور طبیعی الکترون آزاد میکنند. حرکت این الکترونها در مدار، جریان برق تولید میکند و به این ترتیب انرژی حسگرها یا دستگاههای کوچک را تأمین میکند.
جرج ولز، پژوهشگر ارشد دانشگاه نورث وسترن، توضیح میدهد که این میکروبها در همه جا حضور دارند و به طور طبیعی در خاک زندگی میکنند. با استفاده از سیستمهای مهندسی ساده، میتوانیم انرژی آنها را استخراج کنیم. هدف ما تأمین برق یک شهر کامل نیست، اما همین انرژی اندک کافی است تا کاربردهای عملی و کم مصرف را راهاندازی کند.
- توربین بادی Trinity ، گجتی سبز برای شارژ ابزارهای الکترونیکی
- دانشمندان چینی شوره زار را به حاصلخیزترین خاک کشاورزی تبدیل میکنند
محدودیتهای حسگرهای خورشیدی و مبتنی بر باتری
کشاورزی دقیق به شبکههای گستردهای از حسگرها نیاز دارد که به طور پیوسته رطوبت، مواد مغذی و آلودگیهای خاک را پایش کنند. این اطلاعات به کشاورزان امکان میدهد تصمیمات بهتری بگیرند و عملکرد محصولاتشان را افزایش دهند، اما تأمین برق این حسگرها یک چالش اساسی است. باتریها بعد از مدتی تمام میشوند و تعویض آنها در مزارع بزرگ عملی نیست. پنلهای خورشیدی هم محدودیت دارند و وقتی خاک و گرد و غبار رویشان بنشیند، کارایی خود را از دست میدهند. همچنین به نور مستقیم خورشید نیاز دارند و فضای زیادی اشغال میکنند.
بیل ین توضیح میدهد که اگر بخواهید حسگری را در مزرعه یا تالاب نصب کنید، گزینههای شما محدود به باتری یا انرژی خورشیدی است. پنلهای خورشیدی در محیطهای کثیف کارایی ندارند، وقتی آفتاب نیست انرژی نمیدهند و باتریها هم در نهایت تمام میشوند. کشاورزان هم نمیتوانند هر روز هکتارها مزرعه را بگردند تا باتریها را تعویض یا پنلها را تمیز کنند. به همین دلیل، پژوهشگران مسیر دیگری را انتخاب کردند و آن استخراج انرژی مستقیم از خاک و استفاده از محیط طبیعی به عنوان منبع انرژی حسگرهاست.
- شارژ کامل ۱۱ دقیقهای؛ جهش باتری سدیم-یون بایک، سلطه لیتیوم را به چالش میکشد
- باتریهای سدیم یون بایک آغازگر یک انقلاب جدید در دنیای خودروهای برقی است
علت ناکارآمدی سلولهای سوختی میکروبی پیشین
سلولهای سوختی میکروبی مبتنی بر خاک از بیش از یک قرن پیش معرفی شده، اما همواره در ارائه عملکرد پایدار با مشکل مواجه بودهاند. این سیستمها برای کارکرد صحیح به رطوبت و اکسیژن نیاز دارند، شرایطی که حفظ آن در زیرزمین، به ویژه در مناطق خشک، بسیار دشوار است.
به گفته بیل ین، گرچه این سلولهای سوختی میکروبی بیش از یک قرن است که وجود دارند، عملکرد ناپایدار و توان کم آنها مانع استفاده عملی از آنها شده است و کارایی آنها در محیطهای مربوط به شدت کم است.
تحولی در طراحی؛ عملکرد بهتر سلول سوختی
برای رفع محدودیتهای گذشته، تیم پژوهشی دو سال صرف توسعه و آزمایش مدلهای مختلف کرد. آنها چهار نسخه را با هم مقایسه کردند و نه ماه داده عملکردی جمعآوری کردند تا در نهایت نمونه نهایی را انتخاب و در فضای باز آزمایش کنند. کلید موفقیت در یک تغییر هندسی ساده بود: به جای قرارگیری آند و کاتد به صورت موازی، در این طراحی جدید آنها عمود بر یکدیگر نصب شدند، تغییری که عملکرد سلول را به طور چشمگیری بهبود بخشید.
این طراحی چند مشکل را همزمان حل میکند: بخش بالایی دستگاه در تماس با هوا باقی میماند و اکسیژن لازم را تأمین میکند، در حالی که بخش پایینی در خاک مرطوب قرار دارد و حتی در دورههای خشک، رطوبت خود را حفظ میکند. یک درپوش محافظ از ورود آلودگی جلوگیری میکند و یک محفظه هوایی کوچک جریان هوا را ممکن میسازد.
همچنین این ساختار در زمان سیلاب مقاوم است و پوشش ضدآب کاتد را فعال نگه میدارد و چیدمان عمودی به خشک شدن تدریجی آن پس از کاهش سطح آب کمک میکند که تضمینی برای عملکرد پایدار در شرایط نامساعد است.
نمونه نهایی در انواع مختلف خاک، از خاک نیمه خشک با 41 درصد رطوبت حجمی تا محیطهای کاملا غرقابی، عملکرد بسیار خوبی از خود نشان داد. به طور میانگین، این سیستم توانایی تولید انرژی 68 برابر بیشتر از نیاز حسگرهای خود را دارد. این دستاورد نشان میدهد که طراحی جدید به اندازه کافی مقاوم و قابل اعتماد است تا در مزارع کشاورزی و محیطهای طبیعی بدون مشکل به کار گرفته شود.