Учёные из США разработали эффективную конструкцию микробных топливных элементов (МТЭ или MFC — microbial fuel cell), детали к которым можно найти на полках магазинов. Идея таких элементов была предложена около 100 лет назад, однако пока им не находилось применения. Сегодня подобные источники питания могут пригодиться для автономных датчиков с малым потреблением, и это может дать технологии путёвку в жизнь.
Источник изображений: Bill Yen/Northwestern University
Микробные топливные элементы работают на способности бактерий в процессе питания органическими остатками в субстрате — буквально в грязи — отрывать электроны и передавать их аноду. В новой батарее анод изготовлен из пористого углеродного материала в виде диска на её дне. Бактерии живут в нём и в процессе питания освобождают электроны. Процессы происходят без доступа кислорода. Для работы батарею необходимо донышком погрузить в грязь почти доверху.
Для длительной работоспособности подобных элементов важным условием было поддержание высокой влажности субстрата. Несоблюдение его могло свести на нет использование микробных топливных элементов. Также распространению МТЭ прежде мешала низкая выходная мощность. Для современных автономных датчиков низкая мощность источников питания — это не проблема. Что касается перепадов влажности, то учёные из Северо-Западного университета создали такую конструкцию батареи, чтобы она могла находиться как можно глубже в почве, где колебания влажности меньше.
Совсем погружать такую батарею в грязь нельзя. Для осуществления окислительно-восстановительных реакций на катоде, что ведёт к протеканию электрического тока, к катоду должен быть доступ кислорода. Катод в новой батарее располагается вертикально перпендикулярно дисковому аноду на дне элемента. По внешней стороне катод покрыт водоотталкивающим покрытием, что обеспечивает ему контакт с воздухом. Внутренняя сторона катода закрыта ионоселективной мембраной. Мембрана обращена внутрь пустого контейнера с крышкой, защищающей его от попадания грязи вовнутрь.
Тестирование конструкции показало стабильную работу при различных уровнях влажности почвы, от полностью пропитанной влагой до «умеренно сухой» с 41 % воды по объёму. В среднем элемент вырабатывал примерно в 68 раз больше энергии, чем требовалось для работы простейших датчиков влажности и касания, а также обеспечивал работу передатчика для отправки данных на базовую станцию.
«Если мы представим будущее с триллионами таких устройств [автономных датчиков], мы не сможем изготовить каждое из них с питанием от лития, тяжёлых металлов и других токсических веществ, которые опасны для окружающей среды, — говорят разработчики. — Нам нужно найти альтернативы, которые могут обеспечить небольшое количество энергии для питания децентрализованной сети устройств. В поисках решений мы обратились к почвенным микробным топливным элементам, которые используют специальные микробы для расщепления почвы и вырабатывают небольшое количество энергии для питания датчиков. Пока в почве есть органика, необходимая для питания и разложения микробами, топливный элемент потенциально может работать вечно».