Nu we steeds meer afstand beginnen te nemen van fossiele brandstoffen, neemt de vraag naar duurzame energiebronnen toe. Zo ook de vraag naar batterijen en duurzame brandstofcellen die lokaal elektriciteit kunnen leveren op plekken waar geen stroomkabels liggen of voor kleine, draadloze toepassingen. Voor deze systemen wordt vaak gekeken naar edele metalen als lithium en kobalt. Maar volgens
Bill Yen, een van de Northwestern-onderzoekers, kunnen we daar niet eindeloos een beroep op blijven doen. “Als we ons een toekomst voorstellen met biljoenen van deze apparaten, dan kunnen we ze niet allemaal maken met lithium, zware metalen en giftige stoffen die gevaarlijk zijn voor het milieu. We moeten alternatieven vinden die lage hoeveelheden energie kunnen leveren om een gedecentraliseerd netwerk van apparaten van energie te voorzien.”
Microben
Zo’n alternatief vond Yen, samen met een team van onderzoekers van de Northwestern University, in de bodem. Daar leven microben, minuscule organismen, die koolstofdeeltjes eten en daarbij elektronen produceren. Door die elektronen te vangen met een brandstofcel (een zogeheten Microbial Fuel Cell, of MFC) en ze te laten bewegen tussen een anode en een kathode, kan een kleine hoeveelheid energie worden opgewekt. Zolang er genoeg koolstofdeeltjes in de bodem zitten, kan dat proces in theorie eindeloos doorgaan.
Nieuw ontwerp
MFC’s zijn niet nieuw. Al in 1911 werd met de technologie geëxperimenteerd. Maar al snel werd ontdekt dat MFC’s een constante toevoer van zuurstof en water vergen. Dat is uitdagend, aangezien de installaties in de grond genesteld zitten. De bodemcellen vonden daarom nooit echt hun plek in de praktijk. Om die hordes te overwinnen, bevat het nieuwe Amerikaanse ontwerp een gat aan de bovenkant van de brandstofcel en een reservoir aan de zijkant, die zorgt voor luchttoevoer en voorkomt dat gronddeeltjes de toevoer blokkeren. De kathode blijft diep in de bodem verscholen, zodat deze altijd in contact is met vochtige grond. Daarnaast bevat het systeem bescherming tegen overstromingen en is er een mechanisme ingebouwd dat ervoor zorgt dat het niet in één keer kan uitdrogen, maar slechts vertraagd.
Succesvolle testen
Experimenten met de MFC bleken succesvol. Zo presteerde hij even goed onder verschillende vochtigheidsniveaus, van ietwat droog tot volledig ondergedompeld in water. De brandstofcel leverde maar liefst 68 keer zo veel energie op als nodig is om zijn eigen sensoren aan te drijven. De overtollige energie kan gebruikt worden om andere apparaten van stroom te voorzien.
Het voordeel van de MFC’s, zeggen de onderzoekers, is dat alle benodigde onderdelen te koop zijn bij bouwmarkten. Je hebt dus niet te maken met dezelfde toevoerproblemen en geopolitieke uitdagingen als in het geval van edele metalen.
Bodemsensoren
Hoeveel energie de Amerikaanse MFC precies kan genereren, maken de onderzoekers niet duidelijk. Wel geven ze aan dat je er geen auto’s of telefoons mee kunt opladen. Maar ze zouden een duurzame energiebron kunnen zijn voor sensoren; bijvoorbeeld om vochtstanden, nutriënten of ziektes te monitoren in landbouwgrond.
“Als je een sensor op een boerderij wil plaatsen, ben je beperkt tot het gebruik van een batterij of het oogsten van zonne-energie,” vertelt Yen. “Zonnepanelen werken niet goed in vuile omgevingen omdat ze bedekt raken met vuil, niet werken als de zon niet schijnt en veel ruimte innemen. Batterijen vormen ook een uitdaging omdat ze zonder stroom komen te zitten. Boeren gaan niet rondlopen op een boerderij van 100 hectare om regelmatig batterijen te vervangen of zonnepanelen af te stoffen.” De MFC zou daarvoor wellicht een oplossing kunnen bieden, aangezien het theoretisch mogelijk is dat de microben onder de grond oneindig stroom blijven leveren.
