Một nhóm các nhà nghiên cứu do Đại học Northwestern (Mỹ) dẫn đầu đã phát triển một loại pin thu năng lượng từ vi khuẩn sống trong đất và được cho là có thể chạy mãi mãi.
Với kích thước bằng cuốn sách, công nghệ này có thể cung cấp năng lượng cho các cảm biến dưới lòng đất để sử dụng trong nông nghiệp chính xác và cơ sở hạ tầng xanh.
Ưu điểm của loại pin mới
Nếu được ứng dụng rộng rãi, loại pin trên có thể mang lại giải pháp thay thế bền vững, có khả năng tái tạo cho pin thông thường vốn chứa các hóa chất độc hại, dễ cháy thấm vào lòng đất, gây ra nhiều chuỗi cung ứng đầy xung đột và góp phần khiến rác thải điện tử ngày càng gia tăng.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng loại pin này để cung cấp năng lượng cho các cảm biến đo độ ẩm của đất và phát hiện cảm giác chạm, một khả năng có thể có giá trị để theo dõi động vật đi ngang qua.
Các nhà nghiên cứu cũng trang bị cho cảm biến chạy bằng năng lượng đất một ăng-ten nhỏ để truyền dữ liệu đến trạm cơ sở lân cận bằng cách phản xạ các tín hiệu tần số vô tuyến hiện có. Pin nhiên liệu không chỉ hoạt động trong cả điều kiện ẩm ướt và khô ráo mà sức mạnh của nó còn vượt xa các công nghệ tương tự tới 120%.
Theo người đứng đầu nghiên cứu, cựu sinh viên Bill Yen của Đại học Northwestern, số lượng thiết bị dùng Internet không ngừng tăng lên. Chúng ta cần tìm giải pháp thay thế các loại pin độc hại và có thể cung cấp lượng năng lượng thấp cho mạng lưới thiết bị phi tập trung.
Để tìm kiếm giải pháp, các nhà nghiên cứu đã xem xét pin nhiên liệu vi sinh vật trong đất (MFC), sử dụng các vi khuẩn đặc biệt để phân hủy đất, rồi dùng lượng năng lượng thấp đó để cung cấp năng lượng cho các cảm biến. Miễn là có carbon hữu cơ trong đất để vi khuẩn phân hủy, pin này có thể tồn tại mãi mãi - nhà nghiên cứu Bill Yen cho hay.
Giải pháp từ pin nhiên liệu vi sinh vật
 |
Tác giả chính của nghiên cứu Bill Yen đã chôn pin nhiên liệu trong quá trình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm tại Đại học Northwestern. |
Trong những năm gần đây, nông dân nhiều nơi trên thế giới áp dụng nông nghiệp chính xác như một chiến lược để cải thiện năng suất cây trồng. Họ dựa vào công nghệ đo mức độ ẩm, chất dinh dưỡng và chất gây ô nhiễm trong đất để tăng cường sức khỏe cây trồng. Điều này đòi hỏi một mạng lưới thiết bị điện tử phân tán, rộng khắp để liên tục thu thập dữ liệu.
Tác giả Bill Yen cho biết, các tấm pin mặt trời không hoạt động tốt trong môi trường bẩn vì chúng bị bám bụi, không hoạt động khi không có ánh nắng mặt trời và chiếm nhiều không gian. Pin cũng là một thách thức vì chúng hết điện. Nông dân sẽ không thể đi khắp trang trại rộng 100 hecta để thường xuyên thay pin hoặc phủi bụi cho các tấm pin mặt trời.
Xuất hiện lần đầu năm 1911, MFC hoạt động giống như một cục pin thông thường, với cực dương, cực âm và chất điện phân. Thay vì sử dụng hóa chất để tạo ra điện, MFC thu điện từ vi khuẩn cung cấp điện một cách tự nhiên cho các dây dẫn gần đó. Khi các electron di chuyển từ cực dương sang cực âm, nó sẽ tạo ra một mạch điện.
Tuy nhiên, để pin nhiên liệu vi sinh vật hoạt động mà không bị gián đoạn, chúng cần được cung cấp đủ nước và oxy - điều này rất khó khăn khi được chôn dưới đất khô.
Theo tác giả Bill Yen, 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.
Vượt qua thách thức
Với những thách thức trên, Bill Yen và các cộng sự bắt đầu hành trình kéo dài 2 năm để phát triển một loại MFC làm từ đất đáng tin cậy và thực tế. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã thu thập dữ liệu tổng hợp trong 9 tháng về hiệu suất của từng thiết kế. Sau đó, họ thử nghiệm phiên bản cuối cùng ở một khu vườn ngoài trời.
Nguyên mẫu tốt nhất hoạt động tốt trong điều kiện khô ráo cũng như trong môi trường ngập nước. Bí mật đằng sau sự thành công là về hình học. Thay vì sử dụng thiết kế truyền thống, trong đó cực dương và cực âm song song với nhau, pin nhiên liệu đã tận dụng thiết kế vuông góc.
Được làm bằng nỉ carbon (một chất dẫn rẻ tiền, dồi dào để thu giữ các electron của vi khuẩn), cực dương nằm ngang với bề mặt mặt đất. Trong khi đó cực âm làm bằng kim loại trơ, dẫn điện và nằm thẳng đứng trên cực dương.
Mặc dù, toàn bộ thiết bị được chôn dưới đất nhưng thiết kế thẳng đứng đảm bảo phần trên cùng ngang bằng với bề mặt đất. Một nắp in 3D nằm trên đầu thiết bị để ngăn các mảnh vụn rơi vào bên trong. Một lỗ trên cùng và một buồng khí trống chạy dọc theo cực âm giúp luồng không khí ổn định.
Đầu dưới của cực âm vẫn ẩn sâu bên dưới bề mặt, đảm bảo nó luôn được ngậm nước từ đất ẩm xung quanh - ngay cả khi lớp đất bề mặt khô đi vì nắng. Các nhà nghiên cứu cũng phủ một phần cực âm bằng vật liệu chống thấm để cho phép nó thở khi có lũ lụt. Sau một trận lũ, thiết kế thẳng đứng cho phép cực âm khô dần thay vì khô tất cả cùng một lúc.
Trung bình, pin nhiên liệu tạo ra lượng điện năng gấp 68 lần mức cần thiết để vận hành các cảm biến của nó. Nó cũng đủ chắc chắn để chịu được những thay đổi lớn về độ ẩm của đất - từ hơi khô đến hoàn toàn dưới nước.
Các nhà nghiên cứu cho biết tất cả các thành phần của MFC làm từ đất của họ có thể dễ dàng mua được tại địa phương. Tiếp theo, họ có kế hoạch phát triển MFC trên bằng vật liệu hoàn toàn có khả năng phân hủy sinh học.
