Güneş paneli ve pil tarih oldu: Artık topraktan elektrik üretilecek, 68 katı daha fazla enerji sağlıyor

Toprağın içindeki bakteriler elektrik üretebilir mi? Bu soru 1911'den bu yana bilim dünyasının gündeminde; ancak mikrobiyal yakıt hücrelerini tarımda ya da çevresel izlemede gerçek anlamda kullanılabilir kılmak bir türlü mümkün olmuyordu.

Northwestern Üniversitesi'nden araştırmacılar, iki yıllık geliştirme sürecinin ardından bu engeli aştıklarını açıkladı. Ekibin tasarladığı sistem, toprağın kendisini bir güç kaynağına dönüştürerek pil ve güneş paneli ihtiyacını ortadan kaldırıyor.

Sistem, toprağın içinde doğal olarak yaşayan bakterilerin organik karbonu parçalarken saldığı elektronları yakalayarak elektrik üretiyor. Pil ya da güneş paneli gerektirmiyor; toprağın kendisi güç kaynağına dönüşüyor.

Sistemin asıl yeniliği tasarım geometrisinde yatıyor. Önceki modellerde yan yana duran anot ve katot, yeni prototipte birbirine dik konumlandırılmış; anot toprağın derinliklerine yatay gömülürken katot yüzeye doğru dikey uzanıyor. Bu sayede cihazın üst kısmı sürekli havayla temas halinde kalıyor, alt kısmı ise nemli toprakta gömülü kalıyor. Kurak dönemlerde bile nem kaybetmiyor, taşkında ise su çekildikçe kademeli olarak kuruyabiliyor.

Araştırmacılar dört farklı tasarımı karşılaştırarak dokuz aylık performans verisi topladı. Sistem topraktaki nemi ölçen ve dokunmayı algılayan sensörlerle test edildi. Toprak nemi sensörleri çiftçilere sulama kararlarında veri sağlarken, dokunma sensörleri tarladan geçen hayvanlar gibi yaşam hareketlerini izlemekte kullanılabiliyor. Sistem aynı zamanda mevcut radyo frekansı sinyallerini yansıtarak kablosuz veri iletimi yapıyor; bu yöntem enerji tüketimini son derece düşük tutuyor.

Son prototip, yüzde 41 su içeren kısmen kuru topraktan tamamen su altında kalmış ortama kadar geniş bir yelpazede başarıyla çalıştı. Sensörlerin ihtiyaç duyduğu enerjinin ortalama 68 katını üretti, benzer teknolojilere kıyasla yüzde 120 daha uzun süre kesintisiz çalışabildiği de ölçüldü.

Hassas tarımın başarı oranı, sulama yönetiminden toprak kirliliği tespitine uzanan geniş bir alanda yoğun sensör ağlarına dayanıyor. Bu sensörleri beslemek ise ciddi bir sorun olmaya devam ediyor. Ekip liderliğini yapan Bill Yen durumu şöyle özetledi:

"Yüz dönümlük bir tarlada çiftçilerin pillerini düzenli olarak değiştirmesi ya da güneş panellerini temizlemesi beklenemez. Güneş panelleri kirli ortamlarda tıkanıyor, güneş yokken çalışmıyor ve fazla yer kaplıyor."

Araştırmacılar bu nedenle bir çözüm olarak enerjinin doğrudan topraktan elde edilmesine yöneldi. Kıdemli yazar George Wells, teknolojinin ölçeğini şu sözlerle çerçeveledi:

"Bu mikroplar toprağın her yerinde zaten var. Çok basit sistemlerle elektriği yakalayabiliyoruz. Şehirleri besleyemeyiz ama pratik, düşük güçlü uygulamalar için yeterince enerji üretebiliriz."

Ekip tüm tasarımlarını, eğitim materyallerini ve simülasyon araçlarını kamuya açık hale getirdi, ve şu anda sistemin doğada tamamen çözünebilir versiyonları üzerine çalışıyor. Çalışmanın ortak yazarı Josiah Hester, Covid-19 pandemisinin elektronikte küresel tedarik zincirini nasıl kilitlediğini hatırlatarak hedefi net biçimde ortaya koydu, "Yerel tedarik zincirlerine ve düşük maliyetli malzemelere dayanan, her topluluk için erişilebilir cihazlar üretmek istiyoruz."