Computação movida a algasalimentado pela fotossíntese

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Fontes de energia elétrica sustentáveis, acessíveis e descentralizadas são necessárias para alimentar a rede de dispositivos eletrônicos conhecida como Internet das Coisas. O consumo de energia para um único dispositivo de Internet das Coisas é modesto, variando de μW a mW, mas o número de dispositivos de Internet das Coisas já atingiu muitos bilhões e deve crescer para um trilhão até 2035, exigindo um grande número de fontes de energia portáteis (uma bateria ou um coletor de energia). As baterias dependem em grande parte de materiais caros e insustentáveis (elementos de terras raras) e sua carga acaba. Os coletores de energia existentes (solar, temperatura, vibração) são mais duradouros, mas podem ter efeitos adversos sobre o meio ambiente (materiais perigosos são usados na produção de energia fotovoltaica). Aqui, descrevemos um sistema de colheita de energia bio-fotovoltaica usando microorganismos fotossintéticos em um ânodo de alumínio que pode alimentar um Arm Cortex M0+, um microprocessador amplamente utilizado em aplicações de Internet das Coisas. O coletor de energia proposto operou o Arm Cortex M0+ por mais de seis meses em um ambiente doméstico sob luz ambiente. É comparável em tamanho a uma bateria AA e é construído com materiais comuns, duráveis, baratos e amplamente recicláveis.

Os pesquisadores usaram uma espécie difundida de algas verde-azuladas para alimentar um microprocessador continuamente por um ano – e contando – usando nada além de luz ambiente e água.

Seu sistema tem potencial como uma maneira confiável e renovável de alimentar pequenos dispositivos.

O sistema, comparável em tamanho a uma bateria AA, contém um tipo de alga não tóxica chamada Synechocystis, que naturalmente coleta energia do sol por meio da fotossíntese. A pequena corrente elétrica que isso gera interage com um eletrodo de alumínio e é usada para alimentar um microprocessador.

O sistema é feito de materiais comuns, baratos e amplamente recicláveis. Isso significa que ele pode ser facilmente replicado centenas de milhares de vezes para alimentar um grande número de pequenos dispositivos como parte da Internet das Coisas.

Os pesquisadores dizem que é provável que seja mais útil em situações fora da rede ou locais remotos, onde pequenas quantidades de energia podem ser muito benéficas.

“A crescente Internet das Coisas precisa de uma quantidade cada vez maior de energia, e achamos que isso terá que vir de sistemas que possam gerar energia, em vez de simplesmente armazená-la como baterias”, disse o professor Christopher Howe, do Departamento de Bioquímica da Universidade de Cambridge, co-autor sênior do artigo.

Ele acrescentou: “Nosso dispositivo fotossintético não funciona como uma bateria porque está continuamente usando a luz como fonte de energia”.

No experimento, o dispositivo foi usado para alimentar um Arm Cortex M0+, que é um microprocessador amplamente utilizado em dispositivos de Internet das Coisas. Operou em ambiente doméstico e semi-exterior sob luz natural e flutuações de temperatura associadas, e após seis meses de produção contínua de energia os resultados foram submetidos para publicação.

O estudo foi publicado na revista Energy & Environmental Science.

“Ficamos impressionados com a consistência com que o sistema funcionou por um longo período de tempo – pensamos que poderia parar depois de algumas semanas, mas continuou”, disse Paolo Bombelli, do Departamento de Bioquímica da Universidade de Cambridge, primeiro autor do livro. papel.

Os pesquisadores acham que isso ocorre porque as algas processam parte de seus alimentos quando não há luz, e isso continua gerando uma corrente elétrica.

A Internet das Coisas é uma vasta e crescente rede de dispositivos eletrônicos – cada um usando apenas uma pequena quantidade de energia – que coleta e compartilha dados em tempo real via internet.

Usando chips de computador de baixo custo e redes sem fio, muitos bilhões de dispositivos fazem parte dessa rede – de smartwatches a sensores de temperatura em centrais elétricas. Espera-se que esse número cresça para um trilhão de dispositivos até 2035, exigindo um grande número de fontes de energia portáteis.

Os pesquisadores dizem que alimentar trilhões de dispositivos da Internet das Coisas usando baterias de íons de lítio seria impraticável: seria necessário três vezes mais lítio do que é produzido anualmente em todo o mundo. E os dispositivos fotovoltaicos tradicionais são feitos com materiais perigosos que têm efeitos ambientais adversos.

O trabalho foi uma colaboração entre a Universidade de Cambridge e a Arm, uma empresa que lidera o design de microprocessadores. A Arm Research desenvolveu o chip de teste Arm Cortex M0+ ultraeficiente, construiu a placa e configurou a interface de nuvem de coleta de dados apresentada nos experimentos.

A pesquisa foi financiada pelo Centro Nacional de Inovação em Biofilmes.

A alga não precisa se alimentar, pois cria seu próprio alimento enquanto faz fotossíntese. E apesar do fato de que a fotossíntese requer luz, o dispositivo pode até continuar produzindo energia durante períodos de escuridão.