IoT: Forscher entdecken Bodenmikroben als Energiequelle für Sensoren

Im Boden lebende Mikroben als Energiequelle für Sensoren? Dies könnte bald in der Präzisionslandwirtschaft und in nachhaltigen Infrastrukturen Realität werden: Die Neuheit wurde von einem Forscherteam der Northwestern University in den Vereinigten Staaten vorgeschlagen. Konkret entwickelt wurde dabei eine neue Brennstoffzelle als mögliche nachhaltige und erneuerbare Alternative zu Batterien, die giftige und brennbare Chemikalien verwenden und zunehmend ein Problem bei der Entsorgung von Elektronikschrott darstellen.

In einem Feldtest versorgten die Forscher mit der neuen Brennstoffzelle Sensoren, die die Bodenfeuchtigkeit messen und die Bewegungen von Tieren verfolgen. Über eine kleine Antenne wurden die Sensordaten auch an eine benachbarte Basisstation übertragen. Die Ergebnisse zeigten: Die Brennstoffzelle funktioniert nicht nur unter nassen und trockenen Bedingungen, sondern weist zudem eine um 120 % höhere Leistungsabgabe als vergleichbare Technologien auf.

„Die Zahl der Geräte im Internet der Dinge (IoT) nimmt ständig zu. Wenn wir uns eine Zukunft mit Billionen dieser Geräte vorstellen, werden wir nicht in der Lage sein, sie alle mit Lithium, Schwermetallen und umweltschädlichen toxischen Materialien zu versorgen. Wir müssen Alternativen finden, die mit wenig Energie auskommen, um ein dezentrales Netzwerk zu betreiben“, erklärt Bill Yen, Projektleiter an der Northwestern University. Auf der Suche nach Lösungen untersuchten die Wissenschaftler Brennstoffzellen, die mit Hilfe spezieller Mikroben den Boden zersetzen und die entstandene Energie für die Stromversorgung der Sensoren nutzen. „Solange es im Boden organischen Kohlenstoff gibt, den die Mikroben abbauen können, hält die Brennstoffzelle unbegrenzt lange“, fügt Yen hinzu.

Diese Mikroben sind überall zu finden, sie leben unter dem Sonnenlicht und lassen sich bei sehr einfachen technischen Systemen zur Energiegewinnung einsetzen. Natürlich können sie nicht ganze Städte mit Energie versorgen – doch sie können nützlich sein, um Energie für Anwendungen mit geringem Verbrauch bereitzustellen.

Dies ist zum Beispiel in der Präzisionslandwirtschaft der Fall: Hier lassen sich Sonnenkollektoren in verschmutzten, staubigen Umgebungen mit wenig Sonneneinstrahlung nicht immer einsetzen. Gleiches gilt für den Weltraum. In vielen Fällen sind aber auch Batterien als Energiequelle nicht brauchbar: Man stelle sich vor, auf einem Betrieb mit Hunderten von Hektar regelmäßig umherzufahren, um die Batterien zu wechseln. Genau für solche Situationen stellt die Nutzung von Energie aus der Umwelt – in diesem Fall aus dem Boden – eine großartige Lösung dar.

Den Forschern zufolge wurden mikrobielle Brennstoffzellen, die den Boden als Batterie nutzen, bereits im Jahr 1911 entwickelt. Um ohne Unterbrechung zu funktionieren, müssen sie allerdings hydratisiert und mit Sauerstoff versorgt werden. Das ist bei unterirdischer Verlegung und der Verwendung auf trockenem Boden eine Herausforderung. Angesichts dessen arbeiteten die Forscher lang an der Entwicklung eines praktikablen und zuverlässigen Modells. Sie erstellten und verglichen über zwei Jahre vier verschiedene Versionen. Von jedem Entwurf wurden Leistungsdaten gesammelt, um zu der endgültigen Version zu gelangen, die letztendlich im Feldtest eingesetzt wurde.

Der beste Prototyp funktionierte sowohl in trockenen als auch in überfluteten Umgebungen gut. Das Geheimnis seines Erfolges verbirgt sich in der Geometrie: Anstelle eines herkömmlichen Designs hat die beste Brennstoffzelle eine senkrechte Form aus Kohlenstofffilz (ein reichlich vorhandener und günstig zu erstehender Leiter, der die Elektronen der Mikroben einfängt). Die Anode liegt dabei horizontal auf der Oberfläche des Bodens. Die Kathode besteht aus einem reaktionsträgen, leitfähigen Metall und steht senkrecht über der Anode.

Obwohl das gesamte Gerät in den Boden eingegraben ist, sorgt die vertikale Konstruktion dafür, dass die Oberkante mit der Erdoberfläche bündig ist. Ein per 3D-Drucker gefertigter Deckel oben auf dem Gerät verhindert, dass Schmutz ins Innere fallen kann. Ein Loch im Deckel und eine leere Luftkammer neben der Kathode sorgen dabei für einen konstanten Luftstrom.

Das untere Ende der Kathode verbleibt weit unter der Oberfläche und wird durch die umgebende feuchte Erde hydratisiert, selbst wenn der Boden trocken ist. Ein Teil der Kathode ist außerdem mit wasserdichtem Material beschichtet, damit sie im Falle einer Überschwemmung weiterhin Strom produzieren kann. Nach einer solchen Flut kann die Kathode dank der vertikalen Bauweise nach und nach trocknen und muss nicht auf einmal entwässert werden.

Im Durchschnitt erzeugte die Brennstoffzelle 68 Mal mehr Energie, als für den Betrieb der Sensoren benötigt wurde. Sie war auch robust genug, um großen Schwankungen der Bodenfeuchtigkeit standzuhalten – von leicht trocken (41 Volumenprozent Wasseranteil) bis vollständig überflutet.

Die Forschungsergebnisse der Northwestern University wurden in der Zeitschrift Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies veröffentlicht. Die Autoren der Studie haben auch Projekte, Tutorials und Simulationswerkzeuge für die Öffentlichkeit bereitgestellt, damit diese für weitere Forschungen zu Verfügung stehen.