Para ilmuwan sedang mengembangkan bahan bakar baru yang ditenagai oleh kotoran

Ilmuwan Universitas Northwestern telah meluncurkan sel bahan bakar yang ditenagai oleh mikroba tanah yang secara signifikan mengungguli teknologi serupa, memberikan solusi berkelanjutan untuk memberi daya pada perangkat berenergi rendah dengan akses publik penuh terhadap desainnya untuk digunakan secara luas. Tutup sel bahan bakar cetakan 3D mengintip dari atas tanah. Tutupnya mencegah kotoran masuk ke perangkat sekaligus memungkinkan aliran udara. Kredit: Bill Yen/Universitas Northwestern

Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Northwestern University telah mengembangkan sel bahan bakar baru yang mengumpulkan energi dari mikroba yang hidup di tanah.

Teknologi ini, seukuran buku saku standar, dapat memberi daya pada sensor bawah tanah yang digunakan dalam pertanian presisi dan infrastruktur ramah lingkungan. Hal ini berpotensi menawarkan alternatif yang berkelanjutan dan terbarukan dibandingkan baterai yang mengandung bahan kimia beracun dan mudah terbakar yang larut ke dalam tanah, penuh dengan konflik rantai pasokan, dan berkontribusi terhadap masalah limbah elektronik yang terus meningkat.

Untuk menguji sel bahan bakar baru, para peneliti menggunakannya untuk menggerakkan sensor yang mengukur kelembaban tanah dan mendeteksi sentuhan, sebuah kemampuan yang berguna untuk melacak hewan yang lewat. Untuk mengaktifkan komunikasi nirkabel, para peneliti juga melengkapi sensor tanah dengan antena kecil untuk mengirimkan data ke stasiun pangkalan tetangga dengan memantulkan sinyal frekuensi radio yang ada.

Sel bahan bakar tidak hanya berfungsi pada kondisi basah dan kering, tetapi juga mengungguli teknologi serupa sebesar 120%.

Penelitian ini akan dipublikasikan hari ini (12 Januari) di Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable, and Ubiquitous Technologies. Penulis penelitian juga mempublikasikan semua desain, tutorial, dan alat simulasi, sehingga orang lain dapat menggunakan dan mengembangkan penelitian tersebut.

“Jumlah perangkat Internet of Things (IoT) terus bertambah,” kata lulusan Northwestern, Bill Yen, yang memimpin penelitian ini. “Jika kita membayangkan masa depan dengan triliunan perangkat ini, kita tidak dapat membuat semuanya menggunakan litium, logam berat, dan racun yang berbahaya bagi lingkungan. Kita perlu menemukan alternatif yang dapat menyediakan sejumlah kecil energi untuk menggerakkan jaringan perangkat yang terdesentralisasi. Dalam pencarian solusinya, kami mengamati sel bahan bakar mikroba tanah, yang menggunakan mikroba khusus untuk memecah tanah dan menggunakan sejumlah kecil energi untuk menggerakkan sensor. Selama masih ada karbon organik di dalam tanah yang dapat diurai oleh mikroba, sel bahan bakar berpotensi bertahan selamanya.

Bill Yen, penulis utama studi tersebut, mengubur sel bahan bakar tersebut selama pengujian di laboratorium di Northwestern University. Kredit: Universitas Northwestern

“Mikroba ini ada dimana-mana; mereka sudah hidup di tanah di mana pun,” kata George Wells dari Northwestern, penulis utama studi tersebut. “Kita dapat menggunakan sistem rekayasa yang sangat sederhana untuk menangkap listrik mereka. Kami tidak akan memberi listrik pada seluruh kota dengan energi ini. Namun kita dapat memanfaatkan sejumlah kecil energi untuk mendukung aplikasi praktis dan berdaya rendah.”

Wells adalah profesor teknik sipil dan lingkungan di Sekolah Teknik McCormick Northwestern. Sekarang gelar Ph.D. Yen, seorang mahasiswa di Universitas Stanford, memulai proyek ini ketika dia menjadi peneliti sarjana di laboratorium Wells.

Solusi untuk pekerjaan kotor

Dalam beberapa tahun terakhir, para petani di seluruh dunia semakin banyak yang mengadopsi pertanian presisi sebagai strategi untuk meningkatkan hasil panen. Pendekatan berbasis teknologi bergantung pada pengukuran akurat tingkat kelembaban tanah, unsur hara dan kontaminan untuk membuat keputusan yang meningkatkan kesehatan tanaman. Hal ini memerlukan jaringan perangkat elektronik yang besar dan tersebar untuk terus mengumpulkan data lingkungan.

“Jika Anda ingin memasang sensor di alam liar, di peternakan, atau di lahan basah, Anda harus memasang baterai di dalamnya atau memanen energi matahari,” kata Yen. “Panel surya tidak berfungsi dengan baik di lingkungan yang kotor karena tersumbat oleh kotoran, tidak berfungsi saat matahari tidak bersinar, dan memakan banyak ruang. Baterai juga menjadi tantangan karena terkuras habis. Para petani tidak akan berjalan di sekitar lahan pertanian seluas 100 hektar untuk mengganti baterai atau panel surya secara teratur.”

Untuk mengatasi permasalahan ini, Wells, Yen dan kolaboratornya bertanya-tanya apakah mereka dapat memanfaatkan energi dari lingkungan yang ada. “Kita bisa memanen energi dari tanah yang dipantau oleh para petani,” kata Yen.

“Usaha yang Terbuang”

Sel bahan bakar mikroba (MFC) berbasis tanah, yang pertama kali muncul pada tahun 1911, berfungsi seperti baterai – dengan anoda, katoda, dan elektrolit. Namun alih-alih menggunakan bahan kimia untuk menghasilkan listrik, MFC memanen listrik dari bakteri yang secara alami menyumbangkan elektron ke konduktor terdekat. Ketika elektron-elektron ini mengalir dari anoda ke katoda, maka terciptalah rangkaian listrik.

Sebuah sel bahan bakar, tertutup tanah setelah digali dari tanah untuk dipelajari. Kredit: Bill Yen/Universitas Northwestern

Namun agar sel bahan bakar mikroba dapat bekerja tanpa gangguan, sel tersebut harus tetap terhidrasi dan teroksigenasi—sulit dilakukan jika terkubur di bawah tanah, dalam tanah kering.

“Meskipun MFC telah ada sebagai sebuah konsep selama lebih dari satu abad, kinerjanya yang tidak dapat diandalkan dan keluaran daya yang rendah telah menggagalkan upaya untuk menjadikannya praktis, terutama dalam kondisi kelembaban rendah,” kata Yen.

Geometri yang menang

Dengan mempertimbangkan tantangan-tantangan ini, Yen dan timnya memulai perjalanan dua tahun untuk mengembangkan MFC berbasis darat yang praktis dan andal. Ekspedisinya melibatkan pembuatan – dan perbandingan – empat versi berbeda. Pertama, para peneliti mengumpulkan data gabungan selama sembilan bulan tentang kinerja setiap desain. Mereka kemudian menguji versi finalnya di taman luar ruangan.

Prototipe dengan kinerja terbaik bekerja dengan baik dalam kondisi kering dan basah. Rahasia sukses: geometrinya. Alih-alih menggunakan desain tradisional di mana anoda dan katoda sejajar satu sama lain, sel bahan bakar pemenang menggunakan desain tegak lurus.

Anoda terbuat dari bahan karbon (konduktor yang murah dan kaya untuk menangkap elektron mikroba), dipasang secara horizontal dengan permukaan bumi. Katoda terbuat dari logam konduktif inert dan ditempatkan secara vertikal pada anoda.

Meskipun seluruh perangkat terkubur, konstruksi vertikal memastikan ujung atasnya rata dengan permukaan tanah. Penutup cetakan 3D ditempatkan di bagian atas perangkat untuk mencegah kotoran masuk ke dalam. Dan bukaan di bagian atas serta ruang udara kosong di sepanjang katoda memungkinkan aliran udara yang konsisten.

Ujung bawah katoda tetap tertanam jauh di bawah permukaan, memastikan bahwa katoda tetap terhidrasi oleh tanah lembab di sekitarnya – bahkan ketika permukaan tanah mengering di bawah sinar matahari. Para peneliti juga melapisi sebagian katoda dengan bahan anti air sehingga bisa bernafas saat banjir. Dan setelah kemungkinan terjadinya banjir, konstruksi vertikal memungkinkan katoda mengering secara bertahap, bukan sekaligus.

Sel bahan bakar yang dihasilkan menghasilkan energi rata-rata 68 kali lebih banyak daripada yang dibutuhkan untuk mengoperasikan sensornya. Lapisan ini juga cukup kuat untuk menahan perubahan besar pada kelembapan tanah – dari agak kering (41% air berdasarkan volume) hingga terendam seluruhnya.

Akses terhadap teknologi komputer

Para peneliti mengatakan semua komponen untuk MFC tanah mereka dapat dibeli di toko perkakas lokal Anda. Mereka juga berencana mengembangkan MFC tanah yang terbuat dari bahan yang sepenuhnya dapat terbiodegradasi. Kedua proposal tersebut mengabaikan rantai pasokan yang rumit dan menghindari penggunaan mineral konflik.

“Dengan adanya pandemi COVID-19, kita semua menjadi akrab dengan bagaimana krisis dapat mengganggu rantai pasokan elektronik global,” kata rekan penulis studi Josiah Hester, mantan anggota fakultas Northwestern yang kini bekerja di Institut Teknologi Georgia. “Kami ingin menciptakan perangkat yang menggunakan rantai pasokan lokal dan material berbiaya rendah agar komputasi dapat diakses oleh semua komunitas.”

Referensi: “Soil-Powered Computing” oleh Bill Yen, Laura Jaliff, Louis Gutierrez, Philothei Sahinidis, Sadie Bernstein, John Madden, Stephen Taylor, Colleen Josephson, Pat Pannuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora, dan Josiah Hester, 11 Januari 2024, Prosiding ACM tentang Teknologi Interaktif, Seluler, Dapat Dipakai, dan Ada di Mana-Mana.
DOI: 10.1145/3631410

Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation (nomor penghargaan CNS-2038853), Inisiatif Penelitian Pertanian dan Pangan (nomor penghargaan 2023-67021-40628) dari Institut Pangan dan Pertanian Nasional USDA, Yayasan Alfred P. Sloan, VMware Penelitian, dan 3M.