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[科技] 科学家研发土壤微生物燃料电池,为低功耗应用提供新型能源

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深夜月亮 发表于 2024-2-14 21:21:44 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
微生物燃料电池是一种具有 100 多年发展历史的技术。
近期,美国西北大学团队将微生物燃料电池与当前的低功耗电路结合,研发了一种土壤微生物燃料电池(Soil Microbial Fuel Cells,SMFC),能够完全从土壤中的微生物中获取能量,并为传感器、通信、农业等领域提供能源。
科学家研发土壤微生物燃料电池,为低功耗应用提供新型能源 第1张图片


那么,土壤的干湿环境对这种新型电池是否有影响呢?据了解,这种新型燃料电池不仅对环境包容度高,相较于其他同类技术,该电池的功率高出 120%。
与传统电池和其他能量收集技术相比,土壤微生物燃料电池具有独特的优势。具体来说,它们有可能完全由可生物降解的材料制成。并且,与压电和热电发电机的性能相比,土壤微生物燃料电池毒性更低、对环境的影响更小。
因此,通过合理的设计和操作,土壤微生物燃料电池能够作为一种实用的电源技术,用于驱动土壤中的计算应用。
科学家研发土壤微生物燃料电池,为低功耗应用提供新型能源 第2张图片


一方面,该技术在环境监测方面具有潜在的应用潜力,通过在土壤中部署,可实时监测环境并采集数据,例如生态系统雨水管理和环境保护等。
另一方面,该技术有望为绿色基础设施和精确农业提供独立的新型能源,用于无线传感器网络、土壤湿度监测等,助力实现精准农业并提高产量。
科学家研发土壤微生物燃料电池,为低功耗应用提供新型能源 第3张图片


此外,该技术还有望实现无线传感器网络的可持续供电。“我们希望在整个城市安装大量的传感器,以实现数据驱动的政策决策。”该论文第一作者、西北大学本科毕业生颜士能(Bill Yen,现为斯坦福大学博士研究生)说。
然而,这些设备仅限于拥有可靠电源的地区,例如靠近交通灯的可接入电网,这使得对雨水管理非常重要的绿色基础设施远离智能技术。
实际上,让太阳能电池板在沼泽状的环境中工作非常困难,因为它们很快就会被泥土覆盖,最终电池的电力会被耗尽。绿色基础设施和湿地不可访问的问题,也使得可回收变得不切实际,这也许会导致大量的有毒电子垃圾被埋在自然环境中。
科学家研发土壤微生物燃料电池,为低功耗应用提供新型能源 第4张图片


该研究的重点在于改进土壤微生物燃料电池的设计,使它们在低湿度条件下也能够稳定地工作,并从土壤的微生物中获得能量。该电池或可作为一种可再生能源,在传统电池和太阳能电池板不足的条件下,具有生物相容性和可行性。
颜士能表示:“我们从环境工程中寻找潜在的解决方案,并利用土壤微生物燃料电池作为清洁能源,来代替传统电池和太阳能电池。”
科学家研发土壤微生物燃料电池,为低功耗应用提供新型能源 第5张图片


近日,相关论文以《土壤驱动计算:工程师的实用土壤微生物燃料电池设计指南》(Soil-Powered Computing: The Engineer's Guide to Practical Soil Microbial Fuel Cell Design)为题发表在 Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies[1]。
颜士能为论文第一作者,西北大学乔治·威尔斯(George Wells)副教授、美国佐治亚理工学院副教授乔赛亚·赫斯特(Josiah Hester)为论文共同通讯作者。
审稿人认为,使用土壤作为传感器能源的具有发展前景,并且该研究和开源设计将作为新兴主题,是很好的示例和总结。
科学家研发土壤微生物燃料电池,为低功耗应用提供新型能源 第6张图片


据介绍,该研究始于美国的 COVID-19 大流行时期,因此涉及到购买材料、制造设备,甚至在实验室里与其他课题组成员见面都非常困难。“我记得当大学禁止本科生进入时,我还曾试图在家里的地下室进行实验。”颜士能回忆道。
从那以后,他陆续见到了这篇论文的所有合作者,他们来自美国乔治亚州及加州等四所不同的大学,并鼓励颜士能在毕业后攻读博士学位,继续推进可持续电子学领域。
目前,颜士能是斯坦福大学电气工程专业一年级的博士生,研究方向为低功耗传感和无线通信。
该课题组未来研究方向之一,是将使整个设备(燃料电池和电子设备)可降解化,以避免产生电子垃圾,同时将现有的基础设施智能化。
“目前,我们已公开发布所有的设计、模拟软件和开源软件。希望通过这项研究,让更多的研究者积极探索土壤微生物燃料电池作为能源的可能性。”颜士能说道。
参考资料:
1.Bill Yen et al. Soil-Powered Computing: The Engineer』s Guide to Practical Soil Microbial Fuel Cell Design.Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies 7,4,196,1–40 https://doi.org/10.1145/3631410
排版:刘雅坤


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