كهرباء من تحت أقدامنا.. باحثون يحصدون الطاقة من التربة

طور باحثون بقيادة جامعة نورث وسترن خلية وقود تستخدم الكائنات الدقيقة الموجودة في التربة لإنتاج الكهرباء، حيث يمكن لهذا الجهاز تشغيل أجهزة استشعار تحت الأرض لمهام مثل مراقبة الرطوبة أو استشعار اللمس، دون الحاجة إلى بطاريات أو ألواح شمسية.

صمم هذا النظام الذي يعمل بالطاقة من التربة لتشغيل أجهزة الاستشعار تحت الأرض المستخدمة في الزراعة الدقيقة والرصد البيئي، وهو يوفر بديلا محتملا للبطاريات التقليدية، التي تحتوي على مواد سامة وقابلة للاشتعال، وتعتمد على سلاسل توريد عالمية معقدة، وتساهم في زيادة النفايات الإلكترونية.

وينتج هذا الجهاز، الذي يقارب حجمه حجم كتاب ورقي، كميات صغيرة من الطاقة عن طريق التقاط الطاقة المنبعثة أثناء قيام هذه الكائنات الدقيقة بتحليل المواد العضوية في التربة.

يقول الباحث بيل يين من جامعة ستانفورد، والذي قاد الدراسة، في تصريحاته للجزيرة نت: "تستفيد تقنيتنا من الكائنات الدقيقة الموجودة طبيعيًا لتحليل الكربون العضوي في التربة، مما يُطلق إلكترونات تُصبح مصدرًا للطاقة الكهربائية، كما يعمل في الظروف الجافة والرطبة على حد سواء، بل ويدوم لفترة أطول من التقنيات المماثلة".

خلايا الوقود الميكروبية

خلية الوقود الميكروبية هي نوع من أنظمة خلايا الوقود الكهروكيميائية الحيوية، والتي تعرف أيضا باسم خلية الوقود الدقيقة، التي تُولد تيارا كهربائيا عن طريق تحويل الإلكترونات الناتجة عن الأكسدة الميكروبية.

وبحسب الدراسة، فإن خلايا الوقود الميكروبية القائمة على التربة تستخدم منذ عام 1911، إلا أنها واجهت صعوبات في تحقيق أداء ثابت، لعدة أسباب منها أن هذه الأنظمة تحتاج إلى الرطوبة والأكسجين لتعمل بشكل صحيح، وهو ما يصعب توفيره تحت الأرض، خاصة في الظروف الجافة.

يقول يين، في تصريحاته للجزيرة نت: "على الرغم من أن خلايا الوقود الميكروبية موجودة كمفهوم منذ أكثر من قرن، إلا أن أداءها غير الموثوق به وانخفاض طاقة إنتاجها قد أعاقا الجهود المبذولة للاستفادة منها عمليًا، خاصة في ظروف الرطوبة المنخفضة".

تشغيل أجهزة الاستشعار بدون بطاريات

يقول بيل يين للجزيرة نت: "نظرا لأن خلايا الوقود الميكروبية لدينا تولد الطاقة باستخدام الكائنات الدقيقة في التربة، فإنها قادرة على تشغيل أجهزة الاستشعار دون الحاجة إلى الطاقة الشمسية أو أي مصادر طاقة أخرى".

ويضيف "وقد أثبت عملنا استخدام خلية وقود ميكروبية في التربة لتشغيل أجهزة استشعار لاسلكية في التربة دون الحاجة إلى بطاريات أو مصادر طاقة أخرى، كما يتضمن النظام هوائيا صغيرا يرسل البيانات لاسلكيًا عن طريق عكس إشارات الترددات الراديوية الموجودة، مما يقلل استهلاك الطاقة إلى أدنى حد".

وبحسب الدراسة، فقد أثبت الجهاز قدرته على العمل في كل من التربة الجافة والبيئات المغمورة بالمياه، وأنتج طاقة مستدامة أكثر من الأنظمة المماثلة، حيث استمر لمدة أطول بنحو 120%.

إنترنت الأشياء

ويعرف الباحث يين إنترنت الأشياء بأنه عبارة عن شبكة من الأجهزة الذكية (أجهزة الاستشعار، والمحركات، وأجهزة الاستقبال) التي تُساعدنا على فهم بيئتنا الطبيعية والمبنية، وتحسين طريقة إدارتنا لها.

حاليًا، يقتصر استخدامها على المناطق الواقعة ضمن بنيتنا التحتية الحالية (المباني، والمدن، وما إلى ذلك) نظرًا لقلة مصادر الطاقة المتاحة في البيئات النائية، وفي هذا السياق يمكن لخلايا الوقود الميكروبية في التربة العمل في أي مكان توجد فيه تربة، مما سيوسع نطاق إنترنت الأشياء ليشمل تطبيقات مثل الرصد البيئي، وربما الزراعة.

ويضيف بيل يين: "يتزايد عدد الأجهزة في إنترنت الأشياء باستمرار، وبالتالي نحن بحاجة إلى إيجاد بدائل توفر كميات قليلة من الطاقة لتشغيل شبكة لامركزية من الأجهزة، ولهذا اتجهنا إلى خلايا الوقود الميكروبية في التربة".

الأبحاث الجارية والمستقبلية

يعمل الباحثون حاليا على تحسين الكفاءة والاستقرار والمواد، بما في ذلك استكشاف تصاميم قابلة للتحلل الحيوي من شأنها أن تقلل من الأثر البيئي.

ويشير فريق جامعة نورث وسترن إلى إمكانية الحصول على جميع أجزاء نظامهم من مواد الأجهزة الشائعة، وهم يهدفون الآن إلى ابتكار نسخ قابلة للتحلل الحيوي بالكامل، تتجنب سلاسل التوريد المعقدة والمعادن المتنازع عليها.

يقول يين: "تشمل الأبحاث الجارية تحسين قدرة خلايا الوقود لدينا على تحمل مستويات رطوبة التربة المتغيرة، وقد تتضمن أعمال مستقبلية أخرى، في استخدام خلايا الوقود نفسها كمستشعرات لخصائص التربة مثل الكربون العضوي".