Pesquisa usa micróbios do solo para alimentar sensores IoT

Micróbios que vivem no solo podem ser fonte de energia para sensores subterrâneos usados na agricultura de precisão e em infraestruturas sustentáveis. A novidade foi proposta por uma equipe de pesquisadores da Universidade de Northwestern, nos Estados Unidos, que desenvolveu uma nova célula de combustível que pode ser tornar uma alternativa sustentável e renovável às baterias que utilizam produtos químicos tóxicos e inflamáveis e são cada vez mais um problema quando se trata de descarte de lixo eletrônico.

Para testar a nova célula de combustível, os pesquisadores a usaram para alimentar sensores que medem a umidade do solo e rastreiam o movimento dos animais. Também foi usada uma pequena antena para transmitir os dados dos sensores para uma estação-base vizinha. Os resultados mostraram que a célula de combustível não apenas funcionou em condições úmidas e secas, como também apresentou uma potência que superou tecnologias semelhantes em 120%.

“O número de dispositivos da Internet das Coisas (IoT) está em constante crescimento. Se imaginarmos um futuro com trilhões desses dispositivos, não poderemos alimentá-los todos eles usando lítio, metais pesados e materiais tóxicos perigosos para o ambiente. Precisamos encontrar alternativas que possam fornecer pouca energia para alimentar uma rede descentralizada”, afirma Bill Yen, líder do projeto da Universidade de Northwestern. Na busca por soluções, os cientistas avaliaram células de combustível que usam micróbios especiais para decompor o solo e usar esse baixo nível de energia para alimentar os sensores. “Enquanto houver carbono orgânico no solo para serem decompostos pelos micróbios, a célula de combustível vai durar indefinidamente”, completa Yen.

Esses micróbios estão por todos os lugares, vivendo no sol e podem ser usados em sistemas de engenharia muito simples para capturar energia. Obviamente, não servem para abastecer cidades inteiras, mas podem ser úteis para fornecer energia para aplicações de baixo 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.

De acordo com os pesquisadores, células de combustível microbianas que exploram o solo para operar como bateria surgiram em 1911. Para que funcionem sem interrupções, precisam permanecer hidratadas e oxigenadas, um fator complicador quando enterradas no subsolo e usadas em terra seca. Com esses desafios em mente, os pesquisadores trabalharam durante dos dois anos para desenvolver um modelo viável e confiável. O trabalho incluiu a criação e a comparação de quatro versões diferentes, compilando dados de desempenho de cada projeto para chegar à versão final testada ao ar livre.

O melhor protótipo funcionou bem em ambientes secos e também alagados. O segredo do sucesso se esconde atrás da geometria. Em vez de um design tradicional, a melhor célula de combustível tem um design perpendicular, feito de feltro de carbono (um condutor abundante e barato para capturar os elétrons dos micróbios), com o ânodo em uma posição horizontal à superfície do solo. Feito de metal inerte e condutor, o cátodo fica verticalmente sobre o ânodo.

Embora todo o dispositivo esteja enterrado, o design vertical garante que a extremidade superior fique nivelada à superfície do solo. Uma tampa impressa em 3D fica na parte superior do dispositivo evita que detritos caiam no interior. E um orifício na parte superior e uma câmara de ar vazia ao lado do cátodo permitem um fluxo de ar constante.

A extremidade inferior do cátodo permanece bem abaixo da superfície, hidratada no solo úmido circundante mesmo quando a superfície está seca. Parte do cátodo também foi revestida com material impermeabilizante para respirar em caso de enchentes. E, após uma possível inundação, o design vertical permite que o cátodo seque aos poucos, em vez de secar de uma só vez.

Em média, a célula de combustível gerou 68 vezes mais energia do que a necessária para alimentar os sensores. Também foi robusto o suficiente para suportar grandes mudanças nos níveis de umidade do solo – desde um pouco seco (41% de água por volume) até completamente submerso.

A pesquisa da Universidade de Northwestern foi publicada no jornal Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Os autores do estudo também divulgaram os projetos, tutoriais e ferramentas de simulação para que possam ser usados por terceiros para desenvolver mais pesquisa.