Para peneliti di Northwestern University telah memperkenalkan sel bahan bakar bertenaga mikroba tanah, yang secara signifikan mengungguli teknologi serupa dan memberikan solusi berkelanjutan untuk memberi daya pada perangkat berenergi rendah, dengan akses publik penuh terhadap desainnya untuk penerapan luas. Tutup sel bahan bakar yang dicetak 3D terlihat di atas tanah. Tutupnya mencegah kotoran masuk ke perangkat sekaligus memungkinkan aliran udara. Kredit: Bill Yen/Universitas Northwestern
Tim peneliti yang dipimpin Universitas Northwestern telah mengembangkan sel bahan bakar baru yang mengumpulkan energi dari mikroba yang hidup di tanah.
Seukuran buku bersampul standar, teknologi yang sepenuhnya bertenaga tanah ini dapat menjadi bahan bakar sensor bawah tanah yang digunakan dalam pertanian presisi dan infrastruktur ramah lingkungan. Hal ini berpotensi menawarkan alternatif baterai yang berkelanjutan dan terbarukan, yang mengandung bahan kimia beracun dan mudah terbakar yang larut ke dalam tanah, penuh dengan konflik dalam 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 bertenaga tanah dengan antena kecil untuk mengirimkan data ke stasiun pangkalan tetangga dengan memantulkan sinyal frekuensi radio yang ada.
Sel bahan bakar tidak hanya berfungsi baik dalam kondisi basah maupun kering, namun tenaganya juga melampaui 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 merilis semua desain, tutorial, dan alat simulasi kepada publik, sehingga orang lain dapat menggunakan dan mengembangkan penelitian tersebut.
“Jumlah perangkat di Internet of Things (IoT) terus bertambah,” kata alumni 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 energi dalam jumlah kecil untuk memberi daya pada jaringan perangkat yang terdesentralisasi. Dalam mencari solusi, kami mencari sel bahan bakar mikroba tanah, yang menggunakan mikroba khusus untuk memecah tanah dan menggunakan energi dalam jumlah kecil 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 senior 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 energi dalam jumlah kecil untuk mendukung aplikasi praktis dan berdaya rendah.”
Wells adalah profesor teknik sipil dan lingkungan di Sekolah Teknik McCormick Northwestern. Sekarang gelar Ph.D. mahasiswa di Universitas Stanford, Yen memulai proyek ini ketika dia menjadi peneliti sarjana di laboratorium Wells.
Solusi untuk pekerjaan kotor
Dalam beberapa tahun terakhir, semakin banyak petani di seluruh dunia yang mengadopsi pertanian presisi sebagai strategi untuk meningkatkan hasil panen. Pendekatan berbasis teknologi bergantung pada pengukuran tingkat kelembapan, nutrisi, dan kontaminan dalam tanah secara tepat untuk mengambil keputusan yang meningkatkan kesehatan tanaman. Hal ini memerlukan jaringan perangkat elektronik yang luas dan tersebar untuk terus mengumpulkan data lingkungan.
“Jika Anda ingin memasang sensor di alam liar, di peternakan, atau di lahan basah, Anda dibatasi untuk memasang baterai di dalamnya atau memanen energi matahari,” kata Yen. “Panel surya tidak berfungsi dengan baik di lingkungan yang kotor karena tertutup kotoran, tidak berfungsi saat matahari tidak bersinar, dan memakan banyak ruang. Baterai juga menjadi tantangan karena kehabisan daya. Para petani tidak akan pergi ke lahan pertanian seluas 100 hektar untuk secara teratur mengganti baterai atau membersihkan panel surya.”
Untuk mengatasi tantangan ini, Wells, Yen, dan kolaboratornya bertanya-tanya apakah mereka bisa memanfaatkan energi dari lingkungan yang ada. “Kita bisa memanen energi dari tanah yang dipantau oleh para petani,” kata Yen.
‘Upaya yang terhambat’
Pertama kali muncul pada tahun 1911, sel bahan bakar mikroba (MFC) berbasis tanah beroperasi 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.
Sel bahan bakar, tertutup kotoran setelah diekstraksi dari tanah untuk penelitian. Kredit: Bill Yen/Universitas Northwestern
Namun agar sel bahan bakar mikroba dapat beroperasi tanpa gangguan, sel tersebut harus tetap terhidrasi dan teroksigenasi – hal ini sulit dilakukan jika terkubur di bawah tanah di dalam tanah kering.
“Meskipun MFC telah ada sebagai sebuah konsep selama lebih dari satu abad, kinerjanya yang tidak dapat diandalkan dan daya keluaran yang rendah telah menghambat upaya untuk memanfaatkannya secara 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 tanah yang praktis dan andal. Ekspedisinya mencakup pembuatan — dan perbandingan — empat versi berbeda. Pertama, para peneliti mengumpulkan data gabungan selama sembilan bulan tentang kinerja setiap desain. Kemudian, mereka menguji versi finalnya di taman luar ruangan.
Prototipe dengan kinerja terbaik bekerja dengan baik dalam kondisi kering serta dalam lingkungan yang tergenang air. Rahasia di balik kesuksesannya: Geometrinya. Alih-alih menggunakan desain tradisional, di mana anoda dan katoda sejajar satu sama lain, sel bahan bakar pemenang memanfaatkan desain tegak lurus.
Terbuat dari bahan karbon (konduktor yang murah dan melimpah untuk menangkap elektron mikroba), anoda dipasang horizontal dengan permukaan tanah. Terbuat dari logam inert dan konduktif, katoda berada secara vertikal di atas anoda.
Meskipun seluruh perangkat terkubur, desain vertikal memastikan ujung atasnya rata dengan permukaan tanah. Tutup cetakan 3D diletakkan di atas perangkat untuk mencegah kotoran jatuh ke dalam. Dan lubang di bagian atas dan ruang udara kosong di samping katoda memungkinkan aliran udara yang konsisten.
Ujung bawah katoda tetap berada jauh di bawah permukaan, memastikan katoda tetap terhidrasi dari tanah lembab di sekitarnya — bahkan ketika permukaan tanah mengering di bawah sinar matahari. Para peneliti juga melapisi bagian katoda dengan bahan anti air agar dapat bernapas saat terjadi banjir. Dan, setelah potensi banjir, desain vertikal memungkinkan katoda mengering secara bertahap, bukan sekaligus.
Rata-rata, sel bahan bakar yang dihasilkan menghasilkan daya 68 kali lebih besar dari yang dibutuhkan untuk mengoperasikan sensornya. Ia juga cukup kuat untuk menahan perubahan besar dalam kelembapan tanah — dari agak kering (41% air berdasarkan volume) hingga sepenuhnya berada di bawah air.
Membuat komputasi dapat diakses
Para peneliti mengatakan semua komponen untuk MFC berbasis tanah dapat dibeli di toko perkakas lokal. Selanjutnya, mereka berencana mengembangkan MFC berbasis tanah yang terbuat dari bahan yang sepenuhnya dapat terbiodegradasi. Kedua desain tersebut mengabaikan rantai pasokan yang rumit dan menghindari penggunaan mineral konflik.
“Dengan COVID 19 pandemi ini, kita semua menjadi akrab dengan bagaimana krisis dapat mengganggu rantai pasokan elektronik global,” kata rekan penulis studi Josiah Hester, mantan anggota fakultas Northwestern yang sekarang di Institut Teknologi Georgia. “Kami ingin membangun perangkat yang menggunakan rantai pasokan lokal dan material berbiaya rendah sehingga 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.
