Une équipe de l'Université Northwestern invente une nouvelle pile à combustible alimentée au sol qui exploite l'énergie du sol et l'agriculture de précision

Une équipe de l'Université Northwestern invente une nouvelle pile à combustible alimentée au sol qui exploite l'énergie du sol et l'agriculture de précision


Des scientifiques de l'Université Northwestern ont créé une pile à combustible de poche qui récupère l'énergie créée par les microbes du sol, humides et secs, avec des performances record.

Cette technologie, entièrement alimentée au sol et de la taille d'un livre de poche, pourrait alimenter des capteurs souterrains utilisés dans l’agriculture de précision et les infrastructures vertes.

Cela pourrait également constituer une alternative durable aux batteries, qui contiennent des produits chimiques toxiques et inflammables qui ont des effets négatifs sur l’environnement et contribuent aux déchets électroniques.

Les chercheurs ont testé une nouvelle pile à combustible en l’utilisant pour alimenter des capteurs mesurant l’humidité du sol et détectant le toucher, une capacité qui pourrait être utile pour suivre les animaux qui passent. De plus, ils ont équipé le capteur d’une minuscule antenne qui permettait la communication sans fil et la transmission de données vers une station de base proche en réfléchissant les signaux radiofréquences existants. La pile à combustible fonctionnait aussi bien dans des conditions sèches que humides et sa puissance dépassait de 120 % celle des technologies similaires.

Le nombre d’appareils Internet des objets (IoT) ne cesse de croître. Si nous imaginons un avenir avec des milliards de ces appareils, nous ne pouvons pas construire chacun d’entre eux avec du lithium, des métaux lourds et des toxines dangereuses pour l’environnement. "Nous devons trouver des alternatives capables de fournir de faibles quantités d'énergie pour alimenter un réseau décentralisé d'appareils." À la recherche de solutions, nous avons étudié les piles à combustible microbiennes du sol, qui utilisent des microbes spéciaux pour décomposer le sol et utilisent cette faible quantité d’énergie pour alimenter les capteurs. Tant qu’il y a du carbone organique dans le sol pour permettre aux microbes de se décomposer, la pile à combustible peut durer éternellement.

Ces microbes sont omniprésents ; "Ils vivent déjà partout dans le sol", explique George Wells de Northwestern et auteur principal de l'étude. «Nous pouvons utiliser des systèmes d'ingénierie très simples pour capter son électricité. Nous n’allons pas alimenter des villes entières avec cette énergie. Mais nous pouvons capter d’infimes quantités d’énergie pour alimenter des applications pratiques à faible consommation.

Bill Yen, un ancien élève du Nord-Ouest qui a dirigé les travaux.

Ces dernières années, les agriculteurs ont adopté l’agriculture de précision pour améliorer leurs rendements agricoles. Cette approche repose sur la mesure précise de l’humidité du sol, des niveaux de nutriments et de contaminants pour prendre des décisions éclairées susceptibles d’améliorer la santé des cultures. Cependant, cela nécessite un vaste réseau dispersé d’appareils électroniques capables de collecter en permanence des données environnementales.

Si l'on veut placer un capteur dans la nature, dans une ferme ou dans une zone humide, on se limite à mettre une batterie ou à profiter de l'énergie solaire. Les panneaux solaires ne fonctionnent pas bien dans des environnements sales car ils sont recouverts de saleté, ne fonctionnent pas lorsqu'il n'y a pas de soleil et prennent beaucoup de place. Les piles posent également problème car elles sont épuisées. Les agriculteurs ne vont pas se promener dans une ferme de 100 acres pour changer régulièrement les piles ou dépoussiérer les panneaux solaires.

Bill Yen

Pour surmonter ce défi, des chercheurs comme Wells, Yen et leurs collaborateurs ont exploré la possibilité de récupérer l'énergie de l'environnement existant. Yen a expliqué qu'ils pourraient potentiellement récupérer l'énergie du sol que les agriculteurs contrôlent déjà.

Yen et son équipe se sont lancés dans un voyage de deux ans vers développer un MFC à base de sol pratique et fiable. Ils ont créé et comparé quatre versions différentes, collecté neuf mois de données sur les performances de chaque conception et finalement testé le prototype le plus performant dans un jardin extérieur. Le secret de son succès réside dans sa géométrie, qui diffère du design traditionnel. Au lieu d'une anode et d'une cathode parallèles, la pile à combustible gagnante a utilisé une conception perpendiculaire, avec l'anode en feutre de carbone et la cathode en métal conducteur inerte. Cette conception a bien fonctionné dans les environnements secs et gorgés d’eau.

L'appareil dispose d'un conception verticale pour garantir que l'extrémité supérieure affleure la surface du sol. Cet appareil est doté d'un couvercle imprimé en 3D sur le dessus pour empêcher les débris de tomber à l'intérieur et d'un trou sur le dessus pour permettre un flux d'air constant.

L'extrémité inférieure de la cathode reste sous la surface pour rester hydratée par l'humidité du sol environnant et est recouverte d'un matériau imperméabilisant qui lui permet de respirer lors d'une inondation. L'appareil génère 68 fois plus d'énergie que celle nécessaire au fonctionnement de ses capteurs et peut résister à d'importants changements d'humidité du sol.

Selon les chercheurs, Tous les composants de votre MFC de sol peuvent être achetés dans une quincaillerie locale. Ensuite, ils prévoient de développer un MFC à base de sol et fabriqué à partir de matériaux entièrement biodégradables. Les deux conceptions évitent les chaînes d’approvisionnement compliquées et les minerais de conflit.

Les piles à combustible microbiennes, qu'est-ce que c'est ?

La technologie elle-même n’a rien de nouveau. Le "Pile à combustible microbienne – MFC» ou piles à combustible microbiennes sont nées dans les années 1930, suscitant un grand intérêt scientifique à partir des années 1980. De quoi s'agit-il? De dispositifs bioélectrochimiques qui génèrent du courant en profitant des électrons produits par l’oxydation bactérienne de la matière organique. Des eaux usées à la terre.

Via nord-ouest.edu

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