Pile à combustible terrestre
Une innovation révolutionnaire de l’Université Northwestern présente un dispositif compact capable de produire de l’électricité en exploitant l’énergie générée lorsque les microbes décomposent le sol, tant qu’il y a du carbone présent.
Ce dispositif, de la taille d’un livre de poche, fonctionne sur la technologie des piles à combustible microbienne, qui existe depuis plus d’un siècle. Contrairement aux batteries classiques, il utilise des bactéries pour transférer des électrons aux conducteurs pendant qu’elles consomment le sol, imitant la fonction d’une anode, d’une cathode et d’un électrolyte dans une batterie mais en tirant sa puissance des processus microbiens naturels plutôt que de sources chimiques.
Fournir un approvisionnement constant en eau et en oxygène aux piles à combustible microbiennes (MFC)
Jusqu’à présent, le défi a été d’assurer un approvisionnement constant en eau et en oxygène aux piles à combustible microbiennes (MFC) lorsqu’elles sont enterrées dans le sol. Bill Yen, un ancien étudiant de l’UNW et le chef du projet, a remarqué : “Malgré le fait que ce soit un concept depuis plus d’un siècle, les performances irrégulières et la puissance limitée des MFC ont entravé les efforts pour les appliquer pratiquement, en particulier dans des environnements avec des niveaux d’humidité faibles”.
Par conséquent, l’équipe s’est lancée dans le développement de plusieurs nouveaux designs visant à garantir un accès constant à l’oxygène et à l’eau pour les cellules. Ils ont réussi avec un design ressemblant à une cartouche positionnée verticalement sur un disque horizontal. Dans ce design, une anode en feutre de carbone en forme de disque est placée horizontalement à la base du dispositif, profondément enfoncée dans le sol pour capturer les électrons lors de la décomposition microbienne du sol.
Optimisation de la conception de la cathode pour un approvisionnement efficace en oxygène
Pendant ce temps, la cathode métallique conductrice est positionnée verticalement au-dessus de l’anode. La partie inférieure est suffisamment profonde pour accéder à l’humidité des profondeurs du sol, tandis que la partie supérieure est au niveau de la surface. Un espace d’air s’étend sur toute la longueur de l’électrode, et un capuchon protecteur sur le dessus empêche le sol et les débris d’obstruer l’approvisionnement en oxygène de la cathode. De plus, une partie de la cathode reçoit un revêtement de matériau imperméable, garantissant que dans des conditions inondées, un segment hydrophobe persiste en contact avec l’oxygène, maintenant ainsi le fonctionnement de la pile à combustible.
Lors des tests, ce design a constamment bien performé dans divers niveaux d’humidité du sol, allant de complètement submergé à “assez sec”, avec une humidité du sol à seulement 41% en volume. En moyenne, il a produit une puissance dépassant les exigences pour faire fonctionner ses systèmes intégrés de détection d’humidité et de contact, ainsi que pour transmettre des données sans fil à une station de base voisine via une petite antenne, par un facteur de 68.
L’électricité produite par cette technologie, similaire à d’autres sources durables comme les batteries au diamant bétavoltaïques, n’est pas suffisante pour alimenter des appareils tels que des voitures fonctionnant à la saleté ou des smartphones. Au lieu de cela, son principal objectif est d’alimenter de manière constante de petits capteurs sans nécessiter de remplacements fréquents de batteries.
Exploiter les piles à combustible microbiennes du sol pour des solutions énergétiques à long terme
Yen souligne l’importance de rechercher des alternatives aux matériaux nocifs pour l’environnement tels que le lithium et les métaux lourds pour les avancées technologiques futures. Les piles à combustible microbiennes du sol offrent une solution prometteuse en exploitant l’énergie dégagée par la décomposition du sol par les microbes. Avec la présence de carbone organique, ces piles à combustible pourraient potentiellement fonctionner indéfiniment.
Ainsi, les capteurs alimentés par cette technologie pourraient grandement aider les agriculteurs à surveiller diverses conditions du sol telles que les niveaux d’humidité, la teneur en éléments nutritifs et les contaminants, permettant ainsi une agriculture de précision. L’installation de plusieurs capteurs sur une propriété pourrait garantir une collecte continue de données pendant de nombreuses années, voire même des décennies.
Piles à combustible microbiennes dans des tests de sol en laboratoire Bill Yen/Université Northwestern
Mettant en avant l’aspect impressionnant, l’équipe de recherche souligne que tous les composants de cette conception sont facilement disponibles à l’achat dans un magasin de matériel. Par conséquent, il n’y a pas d’obstacles liés à la chaîne d’approvisionnement ou aux matériaux empêchant la commercialisation généralisée de cette recherche.
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