Bước tiến mới của Pin Vi sinh vật

Tiến sĩ George Wells - Phó giáo sư về kỹ thuật dân dụng và môi trường tại Trường Kỹ thuật McCormick của Northwestern, tác giả cấp cao của nghiên cứu - cho biết: “Những vi sinh vật này rất dồi dào, chúng sống trong đất ở khắp nơi. Chúng tôi có thể sử dụng những hệ thống thiết kế đơn giản để thu được điện từ chúng. Chúng tôi sẽ không thể cung cấp điện cho toàn bộ thành phố, nhưng có thể thu lượng điện nhỏ để phục vụ những ứng dụng thiết thực và cần ít năng lượng”.

Xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1911, pin nhiên liệu vi sinh vật trong đất (MFC) hoạt động giống như một cục pin với cực dương, cực âm và chất điện phân.

Mặc dù MFC đã tồn tại như một khái niệm trong hơn một thế kỷ, nhưng hiệu suất không đáng tin cậy và công suất đầu ra thấp đã cản trở nỗ lực sử dụng chúng trong thực tế, đặc biệt là trong điều kiện độ ẩm thấp.

Các hóa chất từ pin có thể thấm vào đất. Do đó, công nghệ mới cũng là một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường, loại bỏ những lo ngại liên quan đến các thành phần pin độc hại và dễ cháy.

Pin nhiên liệu vi sinh vật thử nghiệm trong đất tại phòng thí nghiệm

Pin nhiên liệu mới sử dụng vải carbon cho cực anode và kim loại trơ, dẫn điện, cho cực cathode. Nhóm nghiên cứu dùng vật liệu chống nước trên bề mặt cực cathode, cho phép nó hoạt động khi ngập lụt và bảo đảm khô dần sau khi bị ngâm nước.

Pin chạy bằng đất có kích thước tương đương cuốn sách nhỏ, cung cấp giải pháp thay thế khả thi cho pin trong các cảm biến dưới lòng đất dùng cho nông nghiệp.

Nhóm chuyên gia nhấn mạnh độ bền của pin nhiên liệu mới, đề cập đến khả năng chống chọi với các điều kiện môi trường khác nhau, bao gồm cả đất khô cằn và những vùng dễ ngập lụt.

Nguyên mẫu pin nhiên liệu hoạt động hiệu quả, tạo ra lượng điện gấp 68 lần mức cần thiết để chạy các cảm biến của nó. Pin cũng đủ chắc chắn để vượt qua những biến động lớn về độ ẩm của đất. Nhóm chuyên gia cũng kết nối cảm biến đất với một ăng-ten nhỏ để liên lạc không dây. Điều này cho phép pin nhiên liệu truyền dữ liệu đến một trạm gần đó. Đáng chú ý, pin nhiên liệu mới không chỉ hoạt động được trong cả điều kiện khô ráo lẫn ẩm ướt mà còn hoạt động bền hơn các công nghệ tương tự khoảng 120%.

Bill Yen - cựu sinh viên Northwestern, người đứng đầu nhóm nghiên cứu đã bắt đầu hành trình kéo dài 2 năm để phát triển loại MFC mới - cho biết: “Số lượng thiết bị trong mạng lưới Internet vạn vật không ngừng tăng lên. Nếu hình dung một tương lai với hàng nghìn tỉ thiết bị này, chúng ta không thể chế tạo tất cả chúng bằng lithium, kim loại nặng và những chất độc nguy hiểm cho môi trường. Chúng ta cần tìm những giải pháp thay thế có thể cung cấp mức năng lượng nhỏ để vận hành mạng lưới thiết bị phi tập trung. Với giải pháp mới, chỉ cần có carbon hữu cơ trong đất để vi sinh vật phân giải, pin nhiên liệu có thể tồn tại vĩnh viễn”.

Công nghệ này có thể đóng vai trò then chốt trong nền nông nghiệp bền vững và thân thiện với môi trường. Nó rất hữu ích trong theo dõi các yếu tố khác nhau của đất như độ ẩm, chất dinh dưỡng, chất gây ô nhiễm… và áp dụng phương pháp tiếp cận nông nghiệp chính xác dựa trên công nghệ. Nó cũng cho phép thu thập dữ liệu liên tục mà không cần thay pin hay làm sạch như các tấm pin mặt trời, điều này đặc biệt quan trọng ở các khu vực canh tác nông nghiệp rộng lớn.