Микробный топливный элемент из почвы обещает перевернуть автономное питание датчиков в труднодоступных местах
Обычная земля под ногами оказалась способна вырабатывать электричество. И это не фантастика — учёные создали практичный почвенный микробный топливный элемент. Устройство использует жизнедеятельность почвенных бактерий, которые при разложении органических веществ выделяют электроны. Получается стабильный, хоть и слабый ток.
Принцип работы основан на биоэлектрохимии. Микробы, живущие в грунте, перерабатывают органику — отмершие корни, листья, остатки насекомых. В процессе выделяются заряженные частицы. Новая конструкция собирает их с помощью горизонтального анода, закопанного в землю, и вертикального катода, расположенного на воздухе. Такая схема оказалась намного надёжнее предыдущих попыток создать «грязевую батарейку».
Один элемент размером примерно с книгу в мягкой обложке производит от 15 до 50 микроватт. Это ничтожно мало по меркам бытовой электроники — телефон не зарядишь. Но для сверхэкономичных подземных сенсоров этого хватает с лихвой. Испытания показали: устройство генерирует в 68 раз больше энергии, чем нужно для питания датчика влажности почвы. В полевых условиях прототипы проработали около девяти месяцев без единого обслуживания.
Главное преимущество — долговечность и полная автономность. Пока в почве есть органика, элемент будет вырабатывать ток. Не нужно менять батарейки, ставить солнечные панели, тянуть провода. Для удаленного мониторинга сельскохозяйственных полей, лесов, болот и других труднодоступных мест это идеальное решение.
Разработчики из Университета Северной Каролины подчёркивают: их версия микробного топливного элемента значительно проще и надёжнее всего, что делали раньше. Первые такие устройства появились ещё в 1911 году, но они постоянно выходили из строя из-за пересыхания почвы, затопления или нестабильной работы бактерий. Новая конструкция работает даже при низкой влажности, начиная с 41 процента, и выдерживает временное затопление. Энергоэффективность почвы оказалась выше ожидаемой.
Такие «грязевые батарейки» могут стать основой для интернета вещей в экологическом мониторинге. Датчики, питающиеся от земли, способны годами передавать данные о состоянии почвы, уровне загрязнений, влажности, температуре. И всё это без замены элементов питания, без утилизации отслуживших батареек. Экологически чистое электричество, получаемое из органических отходов, — почти вечный двигатель для маломощной электроники.
Почвенные бактерии не требуют специального ухода. Они живут в любом грунте — в поле, в лесу, на болоте. Органика поступает постоянно: опавшие листья, отмершие корни, дождевые черви. Чем активнее микробы, тем больше энергии. В самые сухие периоды элемент продолжает работать, хотя и с меньшей отдачей.
Конечно, мощность таких устройств ограничена. Для питания смартфонов или лампочек они не годятся. Но для автономного питания датчиков, которые должны работать годами без вмешательства человека, это прорыв. В сельском хозяйстве можно расставить сотни сенсоров по полю и забыть о замене батарей. В лесном хозяйстве — следить за пожарной обстановкой в глухих районах. На болотах — контролировать уровень воды.
Стоимость такого элемента невысока. Анод и катод делают из доступных материалов, никаких редкоземельных элементов. Сама почва — бесплатный ресурс. Органические отходы, которые служат пищей бактериям, есть везде. По сути, это возобновляемая энергия в чистом виде: экологично, дёшево, бесконечно.
Пока технология существует в виде прототипов. Но исследователи уверены: уже в ближайшие годы почвенные топливные элементы начнут внедрять в коммерческие системы мониторинга. Особенно там, где традиционные источники питания дороги или неудобны. Одна закладка — и датчик работает годами. Без проводов, без обслуживания, без вреда для природы.
Обычная земля под ногами оказалась не просто грунтом. Это живой генератор, который можно использовать. И для этого не нужно сверлить скважины или строить плотины. Достаточно закопать в землю небольшое устройство — и оно начнёт вырабатывать электричество на годы вперёд.