Somente a parte superior da célula microbiana fica fora do solo, provendo um fornecendo consistente de oxigênio para as bactérias.
[Imagem: Bill Yen/Northwestern University]

Bactérias do solo

As células a combustível microbianas, dispositivos que produzem eletricidade a partir do metabolismo de bactérias, estão por aí há muito tempo, mas Bill Yen e colegas da Universidade Northwestern, nos EUA, queriam fazer melhor.

Para tornar sua célula microbiana mais prática, eles a construíram de modo que ela gera energia elétrica continuamente alimentada apenas pelas bactérias presentes no solo - basta enterrar o dispositivo, conectar os fios e usufruir da energia.

Mais ou menos do tamanho de um livro de bolso, a célula totalmente alimentada pelo solo poderá alimentar sensores subterrâneos usados na agricultura de precisão e na infraestrutura verde, uma alternativa sustentável e renovável às baterias, que contêm produtos químicos tóxicos e inflamáveis que se infiltram no solo e contribuem para o problema cada vez maior do lixo eletrônico.

"Se você quiser colocar um sensor na natureza, em uma fazenda ou em um pântano, você será obrigado a colocar uma bateria nele ou coletar energia solar. Os painéis solares não funcionam bem em ambientes poeirentos porque ficam cobertos de sujeira, não funcionam quando não há Sol e ocupam muito espaço," disse Yen. "Nós podemos colher energia do próprio solo que os agricultores estão monitorando."

Para testar seu protótipo, o pesquisador usou-o para alimentar sensores que medem a umidade do solo e detectam o toque, uma capacidade que pode ser valiosa para rastrear animais passando pelo local. Para permitir comunicações sem fios, o sensor alimentado pelo solo recebeu uma pequena antena para transmitir dados para uma estação base vizinha, refletindo os sinais de radiofrequência existentes.

A célula de combustível microbiana não apenas funcionou tanto em condições úmidas quanto secas como, mais importante ainda, sua potência superou tecnologias semelhantes em 120%.

Todo o material usado para construir a célula microbiana está disponível comercialmente - seu segredo está no design.
[Imagem: Bill Yen/Northwestern University]

Células de combustível microbianas

O primeiro registro de uma célula de combustível microbiana data de 1911. Elas funcionam como uma bateria - com ânodo, cátodo e eletrólito -, mas colhem eletricidade de bactérias que naturalmente doam elétrons. Quando esses elétrons fluem do ânodo para o cátodo, cria-se um circuito elétrico.

Mas para que as células de combustível microbianas funcionem sem interrupções, elas precisam permanecer hidratadas e oxigenadas, para manter as bactérias vivas, o que é complicado quando enterradas no subsolo, em terra seca. Além disso, elas tipicamente produzem pouca energia.

Para superar essas deficiências, a equipe construiu quatro versões e testou-as intensivamente durante nove meses.

O protótipo de melhor desempenho funcionou bem em condições secas e também em ambientes alagados. O segredo do seu sucesso: Sua geometria. Em vez de usar a arquitetura tradicional, no qual o ânodo e o cátodo são paralelos entre si, a célula de combustível vencedora aproveitou um projeto perpendicular.

Feito de feltro de carbono (um condutor barato e abundante para capturar os elétrons dos micróbios), o ânodo é horizontal em relação à superfície do solo. Feito de um metal inerte e condutor, o cátodo fica verticalmente sobre o ânodo.

Embora o dispositivo precise ficar enterrado, o design vertical garante que a extremidade superior fique nivelada com a superfície do solo. Uma tampa impressa em 3D fica na parte superior do dispositivo para evitar que detritos caiam em seu interior. E um orifício na parte superior e uma câmara de ar, um espaço vazio ao lado do cátodo, permitem um fluxo de ar consistente.

A extremidade inferior do cátodo permanece aninhada profundamente abaixo da superfície, garantindo que ele permaneça hidratado pelo solo úmido circundante - mesmo quando o solo superficial seca à luz do Sol. Os pesquisadores também revestiram parte do cátodo com material impermeabilizante, para permitir que ele respirasse durante uma enchente. E, após uma potencial inundação, o design vertical permite que o cátodo seque gradualmente, em vez de secar de uma vez só.

A nova célula é ideal para a agricultura de precisão e o monitoramento ambiental.
[Imagem: Northwestern University]

Dura para sempre

Em média, a célula de combustível gerou 68 vezes mais energia do que a necessária para operar os sensores usados no teste. Ela também mostrou-se robusta o suficiente para suportar grandes mudanças na umidade do solo - desde um pouco seco (41% de água por volume) até completamente submerso.

"O número de dispositivos na Internet das Coisas (IoT) está em constante crescimento," disse Yen. "Se imaginarmos um futuro com trilhões desses dispositivos, não podemos construir cada um deles a partir de lítio, metais pesados e toxinas que são perigosas para o ambiente. Precisamos encontrar alternativas que possam fornecer pequenas quantidades de energia para alimentar uma rede descentralizada de dispositivos. Em busca de soluções, nos voltamos para as células de combustível microbianas do solo, que usam micróbios especiais para decompor o solo e usam essa pequena quantidade de energia para alimentar sensores. Desde que haja carbono orgânico no solo para os micróbios quebrarem, a célula de combustível pode durar para sempre."