Una investigación utiliza microbios del suelo para alimentar sensores IoT

Los microbios que viven en el suelo podrían ser una fuente de energía para los sensores subterráneos utilizados en la agricultura de precisión y las infraestructuras sostenibles. La novedad la ha propuesto un equipo de investigadores de la Universidad Northwestern de Estados Unidos, que ha desarrollado una nueva pila de combustible que podría convertirse en una alternativa sostenible y renovable a las pilas que utilizan productos químicos tóxicos e inflamables y que cada vez suponen un problema mayor a la hora de deshacerse de los residuos electrónicos.

Para probar la nueva pila de combustible, los investigadores la utilizaron para alimentar sensores que miden la humedad del suelo y rastrean el movimiento de los animales. También se utilizó una pequeña antena para transmitir los datos de los sensores a una estación base cercana. Los resultados mostraron que la pila de combustible no sólo funcionaba en condiciones húmedas y secas, sino que además tenía una potencia de salida que superaba en un 120% a tecnologías similares.

“El número de dispositivos del Internet de las Cosas (IoT) no deja de crecer. Si imaginamos un futuro con billones de estos dispositivos, no podremos alimentarlos todos utilizando litio, metales pesados y materiales tóxicos peligrosos para el medio ambiente. Necesitamos encontrar alternativas que proporcionen poca energía para alimentar una red descentralizada”, afirma Bill Yen, director del proyecto en la Universidad Northwestern. En la búsqueda de soluciones, los científicos evaluaron pilas de combustible que utilizan microbios especiales para descomponer el suelo y aprovechar este bajo nivel de energía para alimentar los sensores. “Mientras haya carbono orgánico en el suelo para que los microbios lo descompongan, la pila de combustible durará indefinidamente”, añade Yen.

Estos microbios están por todas partes, viven en el sol y pueden utilizarse en sistemas de ingeniería muy sencillos para captar energía. Obviamente, no pueden alimentar ciudades enteras, pero pueden ser útiles para suministrar energía a aplicaciones de bajo consumo.

É o caso da agricultura de precisão que, por exemplo, nem sempre podem adotar painéis solares em ambientes sujos, pouco expostos aos raios solares ou com pouco espaço. Em muitos casos, baterias também não são viáveis como fonte de energia – imagine ter de percorrer uma fazenda com centenas de hectares para trocar baterias regularmente. São justamente nessas situações que captar energia do ambiente – ou do solo – é uma ótima solução.

Según los investigadores, las pilas de combustible microbianas que aprovechan el suelo para funcionar como batería aparecieron en 1911. Para funcionar sin interrupción, necesitan mantenerse hidratadas y oxigenadas, un factor complicado cuando se entierran bajo tierra y se utilizan en terrenos secos. Con estos retos en mente, los investigadores trabajaron durante dos años para desarrollar un modelo viable y fiable. El trabajo incluyó crear y comparar cuatro versiones diferentes, recopilando datos de rendimiento de cada diseño para llegar a la versión final probada en exteriores.

El mejor prototipo funcionaba bien tanto en entornos secos como inundados. El secreto de su éxito se esconde tras su geometría. En lugar de un diseño tradicional, la mejor pila de combustible tiene un diseño perpendicular, hecha de fieltro de carbono (un conductor abundante y barato para capturar los electrones de los microbios), con el ánodo en posición horizontal sobre la superficie del suelo. El cátodo, de metal inerte y conductor, se sitúa verticalmente sobre el ánodo.

Aunque todo el dispositivo está enterrado, el diseño vertical garantiza que el borde superior esté nivelado con la superficie del suelo. Una tapa impresa en 3D en la parte superior del dispositivo evita que caigan residuos en su interior. Y un orificio en la parte superior y una cámara de aire vacía junto al cátodo permiten un flujo constante de aire.

El extremo inferior del cátodo permanece muy por debajo de la superficie, hidratado en el suelo húmedo circundante incluso cuando la superficie está seca. Parte del cátodo también se ha recubierto con material impermeabilizante para que respire en caso de inundación. Y tras una posible inundación, el diseño vertical permite que el cátodo se seque poco a poco, en lugar de todo de golpe.

De media, la pila de combustible generó 68 veces más energía de la necesaria para alimentar los sensores. También era lo bastante robusta para soportar grandes cambios en los niveles de humedad del suelo, desde ligeramente seco (41% de agua en volumen) hasta completamente sumergido.

La investigación de la Universidad Northwestern se ha publicado en la revista Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Los autores del estudio también han hecho públicos los proyectos, tutoriales y herramientas de simulación para que puedan ser utilizados por terceros para desarrollar nuevas investigaciones.