전기전자 미생물에 의해 구동 되는 연료 전지 개발.

[함창우_]

새로운 연료원은 항상 우리 발 밑에 있었습니다. 그리고 과학자들은 석유에 대해 이야기하지 않습니다. 노스웨스턴 대학교 연구원들은 전적으로 흙 속에 있는 미생물 에 의해 구동되는 새로운 연료 전지를 개발함으로써 지속 가능한 에너지 분야에서 혁명적인 발전을 이루었습니다 . 표준 문고본 크기의 이 혁신은 종종 독성 화학 물질을 포함하고 환경적으로 유해한 공급망을 가지고 있는 기존 배터리에 대한 유망한 재생 에너지 대안을 제공합니다.
정밀 농업 및 녹색 인프라에서 지하 센서에 전력을 공급하는 데 이상적인 토양 기반 기술은 농업 환경을 관리하고 모니터링하는 방법에 혁명을 일으킬 수 있습니다 . 유해 물질을 함유 하고 전자 폐기물을 발생시키는 배터리와 달리, 이 토양 기반 연료 전지는 에너지를 지속 가능하고 무해하게 활용합니다.

테스트에서 연구원들은 토양 수분을 측정하고 야생 동물을 추적하는 데 중요한 기능인 접촉을 감지하는 센서에 전력을 공급하기 위해 새로운 연료 전지를 성공적으로 사용했습니다 . 이 장치에는 기지국으로의 무선 데이터 전송을 위한 소형 안테나도 포함되어 있어 현장 애플리케이션에서의 기능을 향상시킵니다.
놀랍게도, 연료전지의 성능은 유사한 기술을 120% 능가하여 습하고 건조한 토양 조건 모두에서 효과적인 것으로 입증되었습니다. 이러한 적응성은 다양한 농업 환경 에서 안정적인 작동을 위해 매우 중요합니다.
팀이 모든 디자인, 튜토리얼 및 시뮬레이션 도구를 공개적으로 제공했기 때문에 이번 연구는 특히 중요합니다. 이러한 오픈 소스 접근 방식은 현장에서 추가적인 혁신과 적용을 장려합니다.

노스웨스턴 대학 의 연구 저자인 Bill Yen은 " 사물 인터넷(IoT) 의 장치 수는 지속적으로 증가하고 있습니다. 이러한 장치가 수조 개에 달하는 미래를 상상한다면 모든 장치를 만들 수는 없습니다."라고 말합니다. 그중 환경에 위험한 리튬, 중금속 , 독소가 포함되어 있습니다. 우리는 분산된 장치 네트워크에 전력을 공급하기 위해 적은 양의 에너지를 제공할 수 있는 대안을 찾아야 합니다. 해결책을 찾기 위해 우리는 특수 미생물을 사용하여 토양을 분해하고 적은 양의 에너지를 사용하여 센서에 전력을 공급하는 토양 미생물 연료 전지를 찾았습니다.”라고 Yen은 말합니다.

"토양에 미생물이 분해될 수 있는 유기 탄소가 있는 한, 연료 전지는 잠재적으로 영원히 지속될 수 있습니다 ."
미생물 연료전지(MFC)는 양극, 음극, 전해질을 갖춘 배터리처럼 작동합니다. 그러나 화학물질 대신 토양에 자연적으로 존재하는 박테리아를 사용하는데 , 이는 유기물이 분해되는 동안 전자를 방출합니다. 이러한 전자는 양극에서 음극으로 흘러 전력을 생성하는 전기 회로를 생성합니다.

"야생, 농장 또는 습지에 센서를 설치하려는 경우 배터리를 장착하거나 태양 에너지를 수확해야 합니다."라고 Yen은 설명합니다. “태양광 패널은 먼지로 덮여 있고, 햇빛이 없을 때는 작동하지 않으며, 많은 공간을 차지하기 때문에 더러운 환경에서는 제대로 작동하지 않습니다. 배터리도 전력이 부족하기 때문에 까다롭습니다. 농부들은 정기적으로 배터리를 교체하거나 태양광 패널의 먼지를 제거하기 위해 100에이커 규모의 농장을 돌아다니지 않을 것입니다 .”

MFC는 100년 넘게 알려져 있지만 저수분 조건에서의 성능 문제로 인해 실제 적용이 제한되었습니다. 이를 극복하기 위해 Yen과 그의 팀은 다양한 디자인을 실험했고 독특한 수직 기하학으로 성공을 거두었습니다. 탄소 펠트로 제작된 양극은 수평으로 놓여 있고, 전도성 금속 음극은 수직으로 세워져 일관된 수화 및 산소 공급을 보장합니다.

연구원들은 또한 분쟁 광물과 복잡한 공급망에서 벗어나 토양 기반 MFC의 완전 생분해성 버전을 개발할 계획입니다.
“COVID-19 팬데믹으로 인해 우리 모두는 위기가 전자 제품의 글로벌 공급망을 어떻게 붕괴시킬 수 있는지 알게 되었습니다 .”라고 현재 조지아 공과대학(Georgia Institute of Technology)에 재직 중인 전 노스웨스턴 교수이자 연구 공동 저자인 조시아 헤스터(Josiah Hester)는 말합니다. "우리는 모든 지역사회가 컴퓨팅에 접근할 수 있도록 현지 공급망과 저렴한 재료를 사용하는 장치를 만들고 싶습니다."

이번 연구는 대화형, 모바일, 웨어러블 및 유비쿼터스 기술에 관한 컴퓨팅 기계 협회 저널에 게재 되었습니다 .

논문링크 :  https://dl.acm.org/doi/10.1145/3631410