Les chercheurs de l’Université Northwestern ont introduit une pile à combustible alimentée par des microbes du sol, surpassant considérablement les technologies similaires et fournissant une solution durable pour alimenter des appareils à faible consommation d’énergie, avec un accès public complet à ses conceptions pour une application généralisée. Le capuchon imprimé en 3D de la pile à combustible dépasse du sol. Le capuchon empêche les débris de pénétrer dans l’appareil tout en permettant la circulation de l’air. Crédit : Bill Yen/Université Northwestern
Une équipe de chercheurs dirigée par l’Université Northwestern a développé une nouvelle pile à combustible qui récupère l’énergie des microbes vivant dans la saleté.
De la taille d’un livre de poche standard, cette technologie entièrement alimentée par le sol pourrait alimenter les capteurs souterrains utilisés dans l’agriculture de précision et les infrastructures vertes. Cela pourrait potentiellement offrir une alternative durable et renouvelable aux batteries, qui contiennent des produits chimiques toxiques et inflammables qui s’infiltrent dans le sol, sont semées de chaînes d’approvisionnement remplies de conflits et contribuent au problème toujours croissant des déchets électroniques.
Pour tester la nouvelle pile à combustible, les chercheurs l’ont utilisée pour alimenter des capteurs mesurant l’humidité du sol et détectant le toucher, une capacité qui pourrait être utile pour suivre les animaux qui passent. Pour permettre les communications sans fil, les chercheurs ont également équipé le capteur alimenté par le sol d’une minuscule antenne pour transmettre des données à une station de base voisine en réfléchissant les signaux radiofréquences existants.
Non seulement la pile à combustible a fonctionné dans des conditions humides et sèches, mais sa puissance a également survécu de 120 % à des technologies similaires.
La recherche sera publiée aujourd’hui (12 janvier) dans les actes de l’Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable, and Ubiquitous Technologies. Les auteurs de l’étude publient également tous les modèles, didacticiels et outils de simulation, afin que d’autres puissent utiliser et développer la recherche.
« Le nombre d’appareils dans l’Internet des objets (IoT) est en constante augmentation », a déclaré Bill Yen, ancien élève de Northwestern, qui a dirigé les travaux. « Si nous imaginons un avenir avec des milliards de ces appareils, nous ne pouvons pas fabriquer chacun d’entre eux à partir de lithium, de métaux lourds et de toxines dangereuses pour l’environnement. Nous devons trouver des alternatives capables de fournir de faibles quantités d’énergie pour alimenter un réseau décentralisé d’appareils. À la recherche de solutions, nous nous sommes tournés vers les piles à combustible microbiennes du sol, qui utilisent des microbes spéciaux pour décomposer le sol et utilisent cette faible quantité d’énergie pour alimenter les capteurs. Tant qu’il y a du carbone organique dans le sol pour que les microbes se décomposent, la pile à combustible peut potentiellement durer éternellement. »
Bill Yen, l’auteur principal de l’étude, a enterré la pile à combustible lors des tests effectués en laboratoire à l’Université Northwestern. Crédit : Université Northwestern
« Ces microbes sont omniprésents ; ils vivent déjà dans le sol partout », a déclaré George Wells de Northwestern, auteur principal de l’étude. « Nous pouvons utiliser des systèmes techniques très simples pour capter leur électricité. Nous n’allons pas alimenter des villes entières avec cette énergie. Mais nous pouvons capter d’infimes quantités d’énergie pour alimenter des applications pratiques à faible consommation.
Wells est professeur agrégé de génie civil et environnemental à la McCormick School of Engineering de Northwestern. Maintenant titulaire d’un doctorat. Étudiant à l’Université de Stanford, Yen a lancé ce projet alors qu’il était chercheur de premier cycle dans le laboratoire de Wells.
Des solutions pour un sale boulot
Ces dernières années, les agriculteurs du monde entier ont de plus en plus adopté l’agriculture de précision comme stratégie pour améliorer les rendements agricoles. L’approche technologique repose sur la mesure des niveaux précis d’humidité, de nutriments et de contaminants dans le sol pour prendre des décisions qui améliorent la santé des cultures. Cela nécessite un réseau étendu et dispersé d’appareils électroniques pour collecter en permanence des données environnementales.
« Si vous souhaitez installer un capteur dans la nature, dans une ferme ou dans une zone humide, vous êtes contraint d’y installer une batterie ou de récolter l’énergie solaire », a déclaré Yen. « Les panneaux solaires ne fonctionnent pas bien dans des environnements sales car ils sont recouverts de saleté, ne fonctionnent pas lorsque le soleil n’est pas au rendez-vous et prennent beaucoup de place. Les batteries posent également un problème car elles sont à court d’énergie. Les agriculteurs ne vont pas parcourir une ferme de 100 acres pour remplacer régulièrement les batteries ou dépoussiérer les panneaux solaires.
Pour surmonter ces défis, Wells, Yen et leurs collaborateurs se sont demandés s’ils pouvaient plutôt récupérer l’énergie de l’environnement existant. « Nous pourrions de toute façon récupérer l’énergie du sol que les agriculteurs surveillent », a déclaré Yen.
« Des efforts bloqués »
Faisant leur première apparition en 1911, les piles à combustible microbiennes (MFC) basées sur le sol fonctionnent comme une batterie : avec une anode, une cathode et un électrolyte. Mais au lieu d’utiliser des produits chimiques pour produire de l’électricité, les MFC récupèrent l’électricité de bactéries qui donnent naturellement des électrons aux conducteurs proches. Lorsque ces électrons circulent de l’anode à la cathode, cela crée un circuit électrique.
La pile à combustible, recouverte de terre après avoir été extraite du sol pour des études. Crédit : Bill Yen/Université Northwestern
Mais pour que les piles à combustible microbiennes fonctionnent sans interruption, elles doivent rester hydratées et oxygénées – ce qui est délicat lorsqu’elles sont enfouies sous terre dans de la terre sèche.
« Bien que les MFC existent en tant que concept depuis plus d’un siècle, leurs performances peu fiables et leur faible puissance de sortie ont contrecarré les efforts visant à les utiliser de manière pratique, en particulier dans des conditions de faible humidité », a déclaré Yen.
Géométrie gagnante
Ayant ces défis à l’esprit, Yen et son équipe se sont lancés dans un voyage de deux ans pour développer un MFC à base de sol pratique et fiable. Son expédition comprenait la création – et la comparaison – de quatre versions différentes. Premièrement, les chercheurs ont collecté neuf mois de données combinées sur les performances de chaque conception. Ensuite, ils ont testé leur version finale dans un jardin extérieur.
Le prototype le plus performant a bien fonctionné dans des conditions sèches ainsi que dans un environnement gorgé d’eau. Le secret de son succès : Sa géométrie. Au lieu d’utiliser une conception traditionnelle, dans laquelle l’anode et la cathode sont parallèles l’une à l’autre, la pile à combustible gagnante a exploité une conception perpendiculaire.
Constituée de feutre de carbone (un conducteur peu coûteux et abondant pour capter les électrons des microbes), l’anode est horizontale par rapport à la surface du sol. Fabriquée à partir d’un métal inerte et conducteur, la cathode se trouve verticalement au-dessus de l’anode.
Bien que l’ensemble de l’appareil soit enterré, la conception verticale garantit que l’extrémité supérieure affleure la surface du sol. Un capuchon imprimé en 3D repose sur le dessus de l’appareil pour empêcher les débris de tomber à l’intérieur. Et un trou sur le dessus et une chambre à air vide longeant la cathode permettent un flux d’air constant.
L’extrémité inférieure de la cathode reste nichée profondément sous la surface, garantissant qu’elle reste hydratée par le sol humide environnant, même lorsque le sol de surface sèche au soleil. Les chercheurs ont également recouvert une partie de la cathode d’un matériau imperméabilisant pour lui permettre de respirer en cas d’inondation. Et, après une inondation potentielle, la conception verticale permet à la cathode de sécher progressivement plutôt que d’un seul coup.
En moyenne, la pile à combustible résultante a généré 68 fois plus d’énergie que celle nécessaire au fonctionnement de ses capteurs. Il était également suffisamment robuste pour résister à d’importants changements d’humidité du sol – de légèrement sec (41 % d’eau en volume) à complètement immergé.
Rendre l’informatique accessible
Les chercheurs affirment que tous les composants de leur MFC à base de sol peuvent être achetés dans une quincaillerie locale. Ensuite, ils prévoient de développer un MFC à base de sol et fabriqué à partir de matériaux entièrement biodégradables. Les deux conceptions contournent les chaînes d’approvisionnement complexes et évitent l’utilisation de minerais de conflit.
« Avec le COVID 19 pandémie, nous sommes tous devenus familiers avec la façon dont une crise peut perturber la chaîne d’approvisionnement mondiale en électronique », a déclaré le co-auteur de l’étude Josiah Hester, ancien membre du corps professoral de Northwestern qui travaille maintenant au Georgia Institute of Technology. « Nous voulons construire des appareils qui utilisent des chaînes d’approvisionnement locales et des matériaux à faible coût afin que l’informatique soit accessible à toutes les communautés. »
L’étude a été soutenue par la National Science Foundation (numéro de récompense CNS-2038853), l’Initiative de recherche agricole et alimentaire (numéro de récompense 2023-67021-40628) de l’Institut national de l’alimentation et de l’agriculture de l’USDA, la Fondation Alfred P. Sloan, VMware Recherche et 3M.
