Pilas de Combustible en el Suelo Alimentadas por su Microbioma (y aplicaciones)

Fuente: Colaje imágenes Google

Noticia sorprendente la que os mostramos hoy. Hace algunos años ya os comentamos que el énfasis en la agricultura de precisión iba a generar que los suelos, se parecieran a las redes de suburbanos, garajes, aparcamientos, etc. etc., que han convertido a nuestras urbes en quesos de gruyere, a la par que un granjero “de precisión” o postmoderno debería aprender varias carretaeras tecnológicas a la hora de poder ser eficiente en la gestión de su predio. No es cierto, como señalan los autores de la nota de prensa que os mostramos hoy, que todo el entramado tecnológico que nos desean vender, sí o sí, haya tenido éxito, por cuanto es oneroso económicamente, no está transformando la agricultura mundial, es difícil de mantener, contaminante, etc. pero a lo que vamos.

El día que redacto esta noticia me han sorprendido con un nuevo cachivache. Se trata de una pila de combustible, fácil de construir, sustentable, energéticamente eficiente, etc., que dicen que extrae la energía de los microrganismos del suelo con vistas a que los dispositivos transmitan sus señales al “centro de operaciones” gratis, y para siempre, bajo “ciertas condiciones”. La noticia vuelve a generarme serias dudas en muchos aspectos, pero quien sabe (…)

Con tanto instrumentito cerca de la superficie del suelo, me sorprendería que muchos de ellos no terminen pisoteados, destruidos por la fauna, e impidan pasar el arado si fuere necesario, entre un largo etcétera de tribulaciones. Del mismo modo seguimos siendo muy superficiales “en todos los sentidos”. ¿No nos interesa profundizar? Al parecer a los lideres de la agricultura de precisión, ¡no!, ya que lo que ocurra en el conjunto del solum o perfil completo de un suelo no les interesa en absoluto, cuando en realidad es de vital importancia con vistas a entender la estructura, dinámica y calidad del suelo, como he reiterado ad nausean.

También me pregunto si al robar impunemente tal electricidad a las comunidades microbianas no les afectaran en su funcionamiento, diversidad, etc. Sea como sea os dejo loa noticia ya que es bastante curiosa, al menos eso opino yo. “Mejor me callo”.

Os dejo pues con la noticia.

Juan José Ibáñez

Continúa……..

La Pila de combustible impulsada por la suciedad funciona para siempre
por Escritores del personal de Northwestern News Evanston IL (SPX) 17 de enero de 2024

En el laboratorio. Inserto: la tapa impresa en 3D de la pila de combustible se asoma por encima del suelo. La tapa mantiene la suciedad fuera del dispositivo al tiempo que permite el flujo de aire. Computación impulsada por el suelo La guía del ingeniero para el diseño práctico de celdas de combustible microbianas en el suelo-

Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad Northwestern ha desarrollado una nueva pila de combustible que recolecta energía de los microbios que viven en la tierra.

Aproximadamente del tamaño de un libro de bolsillo estándar, la tecnología completamente impulsada por el suelo podría alimentar sensores subterráneos utilizados en agricultura de precisión e infraestructura verde. Esto podría ofrecer una alternativa sostenible y renovable a las baterías, que contienen sustancias químicas tóxicas e inflamables que se filtran en el suelo, están plagadas de cadenas de suministro llenas de conflictos y contribuyen al problema cada vez mayor de los desechos electrónicos.

Para probar la nueva pila de combustible, los investigadores la utilizaron para alimentar sensores que miden la humedad del suelo y detectan el tacto, una capacidad que podría ser valiosa para rastrear a los animales que pasan. Para permitir las comunicaciones inalámbricas, los investigadores también equiparon el sensor alimentado por el suelo con una pequeña antena para transmitir datos a una estación base vecina reflejando las señales de radiofrecuencia existentes.

La pila de combustible no solo funcionó tanto en condiciones húmedas como secas, sino que su potencia también superó a tecnologías similares en un 120%.

La investigación se publicará el 12 de enero en la revista Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Los autores del estudio también están lanzando todos los diseños, tutoriales y herramientas de simulación al público, para que otros puedan usar y desarrollar la investigación.

«El número de dispositivos en el Internet de las Cosas (IoT) está en constante crecimiento«, dijo Bill Yen, ex alumno de Northwestern, quien dirigió el trabajo. «Si imaginamos un futuro con billones de estos dispositivos, no podemos construir cada uno de ellos a partir de litio, metales pesados y toxinas que son peligrosas para el medio ambiente. Necesitamos encontrar alternativas que puedan proporcionar bajas cantidades de energía para alimentar una red descentralizada de dispositivos. En la búsqueda de soluciones, nos fijamos en las pilas de combustible microbianas del suelo, que utilizan microbios especiales para descomponer el suelo y utilizar esa baja cantidad de energía para alimentar los sensores. Mientras haya carbono orgánico en el suelo para que los microbios lo descompongan, la pila de combustible puede durar para siempre«.

«Estos microbios son ubicuos; ya viven en el suelo en todas partes«, dijo George Wells de Northwestern, autor principal del estudio. «Podemos usar sistemas de ingeniería muy simples para capturar su electricidad. No vamos a abastecer a ciudades enteras con esta energía. Pero podemos capturar cantidades minúsculas de energía para alimentar aplicaciones prácticas de bajo consumo«.

Wells es profesor asociado de ingeniería civil y ambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. Ahora estudiante de doctorado en la Universidad de Stanford, Yen comenzó este proyecto cuando era un investigador de pregrado en el laboratorio de Wells.

Soluciones para un trabajo sucio

En los últimos años, los agricultores de todo el mundo han adoptado cada vez más la agricultura de precisión como estrategia para mejorar el rendimiento de los cultivos. El enfoque impulsado por la tecnología se basa en la medición precisa de los niveles de humedad, nutrientes y contaminantes en el suelo para tomar decisiones que mejoren la salud de los cultivos. Esto requiere una red amplia y dispersa de dispositivos electrónicos para recopilar continuamente datos ambientales.

«Si quieres poner un sensor en la naturaleza, en una granja o en un humedal, estás limitado a ponerle una batería o a cosechar energía solar», dijo Yen. «Los paneles solares no funcionan bien en ambientes sucios porque se cubren de suciedad, no funcionan cuando no sale el sol y ocupan mucho espacio. Las baterías también son un desafío porque se quedan sin energía. Los agricultores no van a recorrer una granja de 100 acres para cambiar regularmente las baterías o desempolvar los paneles solares«.

Para superar estos desafíos, Wells, Yen y sus colaboradores se preguntaron si, en cambio, podrían cosechar energía del entorno existente. «De todos modos, podríamos cosechar energía del suelo que los agricultores están monitoreando«, dijo Yen.

«Esfuerzos obstaculizados»
Haciendo su primera aparición en 1911, las pilas de combustible microbianas (MFC) basadas en el suelo funcionan como una batería, con un ánodo, un cátodo y un electrolito. Pero en lugar de utilizar productos químicos para generar electricidad, los MFC recolectan electricidad de bacterias que donan electrones de forma natural a los conductores cercanos. Cuando estos electrones fluyen del ánodo al cátodo, se crea un circuito eléctrico.

Pero para que las pilas de combustible microbianas funcionen sin interrupciones, necesitan mantenerse hidratadas y oxigenadas, lo cual es complicado cuando están enterradas bajo tierra dentro de la tierra seca.

«Aunque los MFC han existido como concepto durante más de un siglo, su rendimiento poco confiable y su baja potencia de salida han obstaculizado los esfuerzos para hacer un uso práctico de ellos, especialmente en condiciones de baja humedad», dijo Yen.

Geometría ganadora

Con estos desafíos en mente, Yen y su equipo se embarcaron en un viaje de dos años para desarrollar un MFC práctico y confiable basado en el suelo. Su expedición incluyó la creación y comparación de cuatro versiones diferentes. En primer lugar, los investigadores recopilaron un total de nueve meses de datos sobre el rendimiento de cada diseño. Luego, probaron su versión final en un jardín al aire libre.

El prototipo de mejor rendimiento funcionó bien en condiciones secas, así como en un entorno anegado. El secreto de su éxito: su geometría. En lugar de utilizar un diseño tradicional, en el que el ánodo y el cátodo son paralelos entre sí, la pila de combustible ganadora aprovechó un diseño perpendicular.

Hecho de fieltro de carbono (un conductor barato y abundante para capturar los electrones de los microbios), el ánodo es horizontal a la superficie del suelo. Hecho de un metal conductor inerte, el cátodo se asienta verticalmente sobre el ánodo.

Aunque todo el dispositivo está enterrado, el diseño vertical garantiza que el extremo superior esté al ras de la superficie del suelo. Una tapa impresa en 3D descansa en la parte superior del dispositivo para evitar que caigan escombros en su interior. Y un orificio en la parte superior y una cámara de aire vacía que corre a lo largo del cátodo permiten un flujo de aire constante.

El extremo inferior del cátodo permanece ubicado en las profundidades de la superficie, lo que garantiza que se mantenga hidratado del suelo húmedo circundante, incluso cuando el suelo de la superficie se seca a la luz del sol. Los investigadores también recubrieron parte del cátodo con material impermeabilizante para permitirle respirar durante una inundación. Y, después de una posible inundación, el diseño vertical permite que el cátodo se seque gradualmente en lugar de hacerlo todo a la vez.

En promedio, la pila de combustible resultante generó 68 veces más energía de la necesaria para operar sus sensores. También era lo suficientemente robusto como para soportar grandes cambios en la humedad del suelo, desde algo seco (41% de agua por volumen) hasta completamente bajo el agua.

Hacer que la informática sea accesible
Los investigadores dicen que todos los componentes de su MFC a base de suelo se pueden comprar en una ferretería local. A continuación, planean desarrollar un MFC basado en el suelo hecho de materiales totalmente biodegradables. Ambos diseños evitan las complicadas cadenas de suministro y evitan el uso de minerales conflictivos.

«Con la pandemia de COVID-19, todos nos familiarizamos con la forma en que una crisis puede interrumpir la cadena de suministro global de productos electrónicos», dijo el coautor del estudio, Josiah Hester, exmiembro de la facultad de Northwestern que ahora trabaja en el Instituto de Tecnología de Georgia. «Queremos construir dispositivos que utilicen cadenas de suministro locales y materiales de bajo costo para que la informática sea accesible para todas las comunidades«.

Informe de investigación: Computación impulsada por el suelo: la guía del ingeniero para el diseño práctico de celdas de combustible microbianas en el suelo