Вчені створили мікробні батарейки, які для роботи потрібно просто опустити в бруд

Вчені США розробили ефективну конструкцію мікробних паливних елементів (МТЕ чи MFC — microbial fuel cell), деталі яких можна знайти на полицях магазинів. Ідея таких елементів була запропонована близько 100 років тому, проте поки що їм не було застосування. Сьогодні подібні джерела живлення можуть стати в нагоді для автономних датчиків з малим споживанням і це може дати технології путівку в життя.

Мікробні паливні елементи працюють на здатності бактерій у процесі живлення органічними залишками у субстраті — буквально у бруді — відривати електрони та передавати їх аноду. У новій батареї анод виготовлений з вуглецевого пористого матеріалу у вигляді диска на її дні. Бактерії живуть у ньому і у процесі харчування звільняють електрони. Процеси відбуваються без доступу кисню. Для роботи батарею необхідно денцем занурити в багнюку майже догори.

Для тривалої працездатності таких елементів важливою умовою була підтримка високої вологості субстрату. Недотримання його могло звести нанівець використання мікробних паливних елементів. Також поширенню МТЕ насамперед заважала низька вихідна потужність. Для сучасних автономних датчиків низька потужність джерел живлення це не проблема. Що стосується перепадів вологості, то вчені з Північно-Західного університету створили таку конструкцію батареї, щоб вона могла бути якомога глибшою в грунті, де коливання вологості менше.

Зовсім занурювати таку батарею в бруд не можна. Для здійснення окиснювально-відновних реакцій на катоді, що веде до протікання електричного струму, до катода повинен бути доступ кисню. Катод у новій батареї розташовується вертикально перпендикулярно до дискового анода на дні елемента. З зовнішньої сторони катод покритий водовідштовхувальним покриттям, що забезпечує контакт з повітрям. Внутрішню сторону катода закрито іоноселективною мембраною. Мембрана звернена всередину порожнього контейнера з кришкою, що захищає його від попадання бруду всередину.

Тестування конструкції показало стабільну роботу при різних рівнях вологості ґрунту, від повністю просоченої вологою до «помірно сухої» з 41% води за обсягом. В середньому елемент виробляв приблизно в 68 разів більше енергії, ніж потрібно для роботи найпростіших датчиків вологості та торкання, а також забезпечував роботу передавача для надсилання даних на базову станцію.

«Якщо ми представимо майбутнє з трильйонами таких пристроїв [автономних датчиків], ми не зможемо виготовити кожне з них із харчуванням від літію, важких металів та інших токсичних речовин, які є небезпечними для навколишнього середовища, — кажуть розробники. — Нам потрібно знайти альтернативи, які можуть забезпечити невелику кількість енергії для живлення децентралізованої мережі пристроїв. У пошуках рішень ми звернулися до ґрунтових мікробних паливних елементів, які використовують спеціальні мікроби для розщеплення ґрунту та виробляють невелику кількість енергії для живлення датчиків. Поки у ґрунті є органіка, необхідна для живлення та розкладання мікробами, паливний елемент потенційно може працювати вічно».