노스웨스턴 대학교(Northwestern University)의 연구원들은 토양 미생물로 구동되는 연료 전지를 도입했습니다. 이는 유사한 기술보다 훨씬 뛰어난 성능을 발휘하고 저전력 장치에 전력을 공급하기 위한 지속 가능한 솔루션을 제공하며 광범위한 적용을 위해 해당 설계에 대한 완전한 대중 접근이 가능합니다. 3D 프린팅된 연료전지 뚜껑이 땅 위로 살짝 보입니다. 덮개는 공기 흐름을 활성화하는 동시에 장치에 이물질이 들어가는 것을 방지합니다. 출처: Bill Yen/Northwestern University
노스웨스턴 대학교(Northwestern University)가 이끄는 연구진이 흙 속에 사는 미생물로부터 에너지를 수확하는 새로운 연료전지를 개발했습니다.
일반 종이책 크기의 토양 기반 기술은 정밀 농업 및 녹색 인프라에 사용되는 지하 센서에 전력을 공급할 수 있습니다. 이는 잠재적으로 땅 속으로 침출되는 독성 및 가연성 화학 물질을 포함하고 갈등에 휩싸인 공급망을 문제삼고 점점 커지는 전자 폐기물 문제에 기여하는 배터리에 대한 지속 가능하고 재생 가능한 대안을 제공합니다.
새로운 연료 전지를 테스트하기 위해 연구원들은 이를 사용하여 토양 수분을 측정하고 접촉을 감지하는 센서에 전원을 공급했습니다. 이 기능은 지나가는 동물을 추적하는 데 유용할 수 있습니다. 무선 통신을 가능하게 하기 위해 연구진은 기존 무선 주파수 신호를 반사하여 인근 기지국으로 데이터를 전송할 수 있는 소형 안테나를 토양 기반 센서에 장착했습니다.
연료전지는 습하고 건조한 조건에서 성능을 발휘했을 뿐만 아니라 출력도 유사한 기술을 120% 초과했습니다.
이 연구는 오늘(1월 12일) 대화형, 모바일, 웨어러블 및 유비쿼터스 기술에 관한 컴퓨팅 기계 협회 회보에 게재될 예정입니다. 또한 연구 작성자는 모든 디자인, 튜토리얼 및 시뮬레이션 도구를 공개하여 다른 사람들이 연구를 사용하고 구축할 수 있도록 합니다.
이 작업을 주도한 노스웨스턴 대학교 대학원생 빌 엔(Bill Yen)은 “사물 인터넷(IoT)에 연결된 장치의 수가 지속적으로 증가하고 있습니다.”라고 말했습니다. “수조 개의 이러한 장치가 있는 미래를 상상한다면 환경에 위험을 초래하는 리튬, 중금속 및 독소를 사용하여 모든 장치를 구축할 수는 없을 것입니다. 우리는 적은 양의 장치를 제공할 수 있는 대안을 찾아야 합니다. 분산형 장치 네트워크에 전력을 공급하는 에너지입니다. 솔루션을 찾기 위해 우리는 특수 미생물을 사용하여 토양을 분해하고 적은 양의 에너지를 사용하여 센서에 전력을 공급하는 토양 미생물 연료 전지를 살펴보았습니다. 유기 탄소가 있는 한 미생물이 분해되는 토양에서 연료전지는 잠재적으로 영원히 지속될 수 있습니다.
이번 연구의 주요 저자인 빌 엔(Bill Yen)은 노스웨스턴 대학교 실험실에서 테스트하는 동안 연료전지를 묻었습니다. 크레딧: 노스웨스턴 대학교
이번 연구의 수석 저자인 노스웨스턴 대학의 조지 웰스(George Wells)는 “이러한 미생물은 어디에나 있고 실제로 모든 토양에 살고 있습니다. 우리는 매우 간단한 엔지니어링 시스템을 사용하여 전기를 얻을 수 있습니다.”라고 말했습니다. 우리는 도시 전체에 이 에너지를 공급하지 않을 것입니다. 그러나 우리는 실용적인 저전력 애플리케이션에 전력을 공급하기 위해 아주 작은 양의 에너지를 포착할 수 있습니다.
Wells는 Northwestern McCormick School of Engineering의 토목 및 환경 공학 부교수입니다. 이제 박사 학위를 취득했습니다. 스탠포드 대학교 학생인 Yin은 Wells 연구실에서 학부 연구원으로 재직하는 동안 이 프로젝트를 시작했습니다.
더러운 작업을 위한 솔루션
최근 몇 년 동안 전 세계 농민들은 작물 수확량을 향상시키기 위한 전략으로 정밀 농업을 점점 더 많이 채택하고 있습니다. 기술 기반 접근 방식은 토양의 수분, 영양분 및 오염 물질의 정확한 수준을 측정하여 작물 건강을 증진하는 결정을 내리는 데 의존합니다. 이를 위해서는 환경 데이터를 지속적으로 수집하기 위한 대규모의 분산된 전자 장치 네트워크가 필요합니다.
“광야, 농장, 습지에 센서를 설치하려는 경우 배터리를 넣거나 태양 에너지를 수확하는 것으로 제한됩니다.”라고 Yen은 말했습니다. “태양광 패널은 흙으로 덮여 있기 때문에 더러운 환경에서는 잘 작동하지 않습니다. 태양이 꺼지지 않으면 작동하지 않으며 많은 공간을 차지합니다. 배터리도 전력이 부족하기 때문에 문제가 됩니다. 농부들은 정기적으로 배터리를 교체하거나 태양광 패널을 청소하는 100에이커 규모의 농장을 돌아다니지 않을 것입니다.
이러한 문제를 극복하기 위해 Wells, Wayne 및 협력자들은 기존 환경에서 에너지를 수확할 수 있는지 궁금해했습니다. “우리는 농부들이 모니터링하는 토양에서 에너지를 수확할 수 있습니다.”라고 Yen은 말했습니다.
'실패한 노력'
1911년에 처음 등장한 토양 기반 미생물 연료 전지(MFC)는 양극, 음극 및 전해질을 갖춘 배터리처럼 작동합니다. 그러나 전기를 생성하기 위해 화학 물질을 사용하는 대신 MFC는 자연적으로 근처 전도체에 전자를 기증하는 박테리아로부터 전기를 수집합니다. 이러한 전자가 양극에서 음극으로 흐를 때 전기 회로를 형성합니다.
연료전지는 연구를 위해 땅에서 추출한 후 흙으로 덮여 있습니다. 출처: Bill Yen/Northwestern University
하지만 미생물 연료전지가 중단 없이 작동하려면 촉촉한 상태를 유지하고 산소를 공급해야 하는데, 지하에 건조한 흙 속에 묻혀 있으면 어렵습니다.
“MSC는 100년 이상 개념으로 존재해 왔지만, 신뢰할 수 없는 성능과 낮은 생산 능력으로 인해 특히 습도가 낮은 조건에서 MSC를 실용화하려는 노력이 좌절되었습니다.”라고 Yin은 말했습니다.
엔지니어링의 승리
이러한 과제를 염두에 두고 Yin과 그의 팀은 실용적이고 신뢰할 수 있는 토양 기반 MFC 셀을 개발하기 위한 2년간의 여정에 착수했습니다. 그의 여정에는 네 가지 다른 버전을 만들고 비교하는 것이 포함되었습니다. 먼저, 연구원들은 각 디자인의 성능에 대한 9개월 간의 데이터를 수집했습니다. 그런 다음 야외 공원에서 최종 버전을 테스트했습니다.
가장 성능이 좋은 프로토타입은 건조한 환경은 물론 수중 환경에서도 좋은 성능을 보였습니다. 성공의 비결은 바로 엔지니어링입니다. 우승한 연료전지는 양극과 음극이 서로 평행한 전통적인 설계 대신 직교 설계를 활용했습니다.
탄소 펠트(미생물 전자를 포착하기 위한 쉽게 구할 수 있고 저렴한 전도체)로 만들어진 양극은 지면과 수평입니다. 음극은 불활성 전도성 금속으로 구성되며 양극 위에 수직으로 배치됩니다.
전체 장치가 매립되어 있지만 수직 설계로 상단이 지면과 같은 높이를 유지합니다. 장치 상단에는 이물질이 내부로 떨어지는 것을 방지하기 위해 3D 프린팅된 덮개가 있습니다. 상단에 있는 구멍과 음극 옆에 있는 빈 공기 챔버를 통해 공기의 지속적인 흐름이 가능합니다.
음극의 하단은 표면 아래 깊은 곳에 위치하여 표토가 햇빛에 건조되는 경우에도 주변의 젖은 토양으로부터 촉촉한 상태를 유지합니다. 연구진은 또한 침수 시 숨을 쉴 수 있도록 음극 일부를 방수 소재로 코팅했다. 잠재적인 홍수 후에 수직 설계를 통해 음극이 한꺼번에 건조되기보다는 점진적으로 건조될 수 있습니다.
평균적으로, 결과적으로 생성된 연료전지는 센서를 작동하는 데 필요한 것보다 68배 더 많은 전력을 생성했습니다. 또한 약간 건조한 상태(부피 기준 수분 41%)부터 완전히 수중까지 토양 수분의 큰 변화를 견딜 수 있을 만큼 견고했습니다.
모든 사람이 컴퓨팅에 접근할 수 있도록 만들기
토양 기반 MFC의 모든 구성 요소는 지역 철물점에서 구입할 수 있다고 연구진은 말합니다. 다음으로 그들은 완전 생분해성 재료로 만들어진 토양 기반 MFC를 개발할 계획입니다. 두 디자인 모두 복잡한 공급망을 우회하고 분쟁 광물의 사용을 피합니다.
“와 더불어 코로나 19 “우리 모두는 위기가 글로벌 전자제품 공급망을 어떻게 혼란에 빠뜨릴 수 있는지를 인식하게 되었습니다.”라고 연구 공동 저자이자 전 노스웨스턴 대학 교수였으며 현재 조지아 공과대학에서 근무하고 있는 조시아 헤스터(Josiah Hester)는 말했습니다. “우리는 모든 커뮤니티가 컴퓨팅에 접근할 수 있도록 현지 공급망과 저렴한 재료를 사용하는 장치를 만들고 싶습니다.”
참고 자료: Bill Yen, Laura Gleave, Luis Gutierrez, Veluthi Sahinidis, Sadie Bernstein, John Madden, Steven Taylor, Colin Josephson, Pat Panuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora 및 Josiah Hester의 “토양 기반 컴퓨팅”, 1월 11 . 2024년, 대화형, 모바일, 웨어러블 및 유비쿼터스 기술에 관한 ACM 간행물.
도이: 10.1145/3631410
이 연구는 국립과학재단(수상 번호 CNS-2038853), USDA 국립 식품 농업 연구소의 농업 및 식품 연구 이니셔티브(수상 번호 2023-67021-40628), Alfred P. Sloan 재단의 지원을 받았습니다. 및 VMware. 연구와 3M.
