Artistic Residency / Hospitalet 
2021

Photo Microbial Fuel Cell #3 { Contorno Urbano }


( ENG )
See below for Spanish.

Over the course of five weeks we furthur developed our ongoing project: “Photo Microbial Fuel Cell”, initiated in August 2020 as part of an artístic residency focused on “Non-human intelligences” at the Centre for Creative Solutions in Lovinac, Croatia.

The investigation began with the challenge of developing a permanent, sustainable interactive installation, without a stable source of electricity, nor access to the internet for research 

These circumstances are what led us to reflect upon our own relationship towards the online environment and the importance it has in the development of our projects.

Finding ourselves without access to the “opensource” “maker” and “creative coding” communities, unravelled our concept. By associating this interconnection with the functioning network nature creates with its own environment, through a beneficial system of sharing resources and communicating, the investigation opened up new hypotheses.

The appropriation of electricity on behalf of nature as a means to enhance its network was an initial speculation, evolving our research towards the exploration of the relationship between nature and electricity, and finalizing in the investigation of the use of photosynthesis as a source of electrical energy.

Photographic details of our second prototype:




In November 2021 we were presented with the opportunity to share our investigation with a group of students at Contorno Urbano to develop a third prototype of the product, starting off with the following observations / questions based on our previous investigation:

How can we optimize the functioning of our PMFC?

- What kinds of plants / roots are ideal?
- Which kinds of conditions / soil / water are ideal?
- Which materiales (for our anode, cathode and membrane) are ideal?
- How can we optimize our “Joules thief”?
- How can we intensify our lighting system?
- How can we optimize our circuit?

After taking our first week to investigate the various questions we had to answer we came to our second session at Contorno Urbano with the following information to share with the team:

- What kinds of plants / roots are ideal? 
Perennial plants which can survive in stank water conditions - generally these are kinds of grass species. The plant musn´t perform aerenchyma - transport oxygen to the roots for survival in stank water conditions (the oxygen will consume our electrons). The plant must have vast roots in which in the organic matter shall be used to host the bacteria.

- Which kinds of conditions / soil / water are ideal?
Soil / water - wise we need the coniditons to be rich in bacteria / microorganisms such as Geobacter ( Metallireducens and Sulfurreducens )

- Which materiales (for our anode, cathode and membrane) are ideal?
We need an Anode that fuctions as an electron donor (ideally using graphite) and can oxidize provoking a cascade of Redox reaction. If a biofilm grows over our Anode - it´s a positive sign. Our Cathode can be exposed to either the water or aire, and graphite too is the best material. Copper is a poisonous material for our plants roots and soil. Our PEM (Proton-exchange-membrane) divides the polos in our battery, yet we need hydrogen to be able to pass through, from what we have read online, the best material we have found for this is Nafion. As we cannot get access to this material, we have found the following bio / DIY alternatives: egg membrane, nylon fibers, biodegradable plastic bags, lab gloves.

- How can we optimize our “Joules thief”?
We can intensify the amount of voltage generated by creating a double coil on our Joules thief.

- How can we intensify our lighting system?

- How can we optimize our circuit?

Prototyping






( ES )

“Photo Microbial Fuel Cell” es un proyecto en proceso de DIYBIO a través de una perspectiva compostista, resultado de la residencia artística realizada en Agosto 2020 en el “Centre for creative solutions” en el pueblo Lovinac en Croacia. Fue una residencia de un mes de duración enfocado en las “Inteligencias non-humanas”.

Dicha investigación comenzó con el desafío de llevar adelante una instalación permanente, sostenible y sin una fuente estable de electricidad, ni acceso a Internet. 

Conceptualización
Como colectivo investigando la intersección entre el arte, ciencia y tecnología, recurrimos de forma constante a las comunidades “opensource” de “makers” y “creative coding” para aprender y desarrollar nuestros proyectos, creando así un flujo de intercambio constante con nuestro entorno online.

Encontrarnos sin acceso a esta red, fue el punto de partida de nuestra conceptualización. Fascinadas por nuestra dependencia sobre dicha relación externa, y teniendo en cuenta nuestra experiencia previa en el estudio de la inteligencia vegetal, fue que asociamos nuestro propio comportamiento con el funcionamiento en red de la naturaleza y su manera beneficiosa de compartir recursos y comunicarse con su entorno.

Desde aquí en más la investigación se abrió a nuevas especulaciones. La apropiación de la electricidad como herramienta por parte de la naturaleza fue una de ellas.

Desenlazando el comienzo de nuestra exploración hacia el vínculo entre la naturaleza y la electricidad, culminando en la investigación de la fotosíntesis como fuente de energía eléctrica.

En Noviembre 2021, fuimos presentadas con la oportunidad de compartir nuestra investigación con un grupo de estudiantes en Contorno Urbano con el fin de desarrollar un tercer prototipo de nuestra “planta lámpara”, comenzamos con las siguientes observaciones / preguntas a responder basadasas en nuestros prototipos anteriores:

Cómo podemos optimizar el funcionamiento de las PMFC?

- Que tipos de plantas / raices son óptimas?
Plantas perennes que puedan vivir en condiciones de agua atascada (generalmente estos con especies de pastos). Es importante que la planta no haga “aeénquimia” - transportación de oxigeno hacia las raices para su supervivencia en condiciones de agua atascada ya que el oxígeno nos roba los electrones. La planta debería tener raices extensas en donde en su parte inerte (seca) se colocarán las bacterias.

- Que tipos de condiciones / tierra / aguas son óptimas?
Tierra / agua enriquecida en bacteria / microorganismos tales como Geobacter ( Metallireducens y el Sulfurreducens )

- Que materiales ( de ánodo, cátodo y membranas ) son óptimas?
Nececitamos un ánodo que funcione como un donante de electones (gráfito es optimo, ya sea en barra, disco o fieltro) y que pueda realizar un procezo de oxidación, provocando una cascada de reacciones Rédox. Que crezca un biofilm sobre el ánodo es una buena señal. Para nuestro cátodo vimos que el material de gráfito es óptimo y este puede estar en contacto con agua o con aire. El cobre es un material tóxico para las raices de la planta. Nuestra PEM (Membrana de intercambio de protones) dividirá nuestros dos polos en la bateria, y permitirá el traspaso de hidrógeno, vimos que el mejor material a utilizar es el Nafión, pero debido a que es un material inacesible para nosotras, hemos investigado posibles bio / diy materiales para reemplazarlo, tales como: membrana de huevo, guante de laboratorio, y bolsas de plástico biodegradables.

- Cómo podemos optimizar el Ladrón de Joules (calculo de
vueltas de cobre en el electroimán, toroide)?
Vimos que al aumentar las vueltas de cobre en el electroimán, podemos crear un transformador, triplificando nuestro voltaje.

- Cuales son las necesidades específicas para encender
un diodo led, datasheet de fabricante?
 
WIP

- Cómo podemos optimizar el circuito (serie / paralelo / etc.) ?

WIP

Prototipos

Comenzamos trabajando con la especie de planta Nepeta Cataria e utilizamos sustrato y tierra para su contención.

Probamos construír una serie de prototipos junto al equipo de Contorno Urbano, variando tanto en los materiales de nuestros ánodos y cátodos, como también en las posiciones y órden de armado, midiendo nuestros resultados utilizando un voltímetro para comparar y decidir que camino tomar.

Observamos en los primeros prototipos la necesidad de tener una diferencia de potencial entre los materiales de nuestro ánodo y cátodo. Por lo tanto la conexión gráfito - gráfito, no era óptimo. Cambiamos nuestro cátodo por un un tornillo de Zinc ( negativo ), y mantuvimos nuestro ánodo de gráfito ( positivo ). También observamos que logramos mayor voltaje sin tener una PEM ( Membrana de intercambio de protones) de por medio, aúnque esto también significa que nuestro amperaje será menor.

De todas formas, con una planta pequeña montada con este sistema en forma vertical logramos un voltaje de 0.80v, y al conectar las dos logramos un voltaje de 1,60v. Construímos un ladrón de joules, un oscilador que inyecta pulso a una bobima que aplifica la tensión inicial de la bateria, a través del siguiente proceso y logramos encender un diódo LED conectando nuestras dos plantas:

Paso 1: Enrollar dos cables multifilamentos en un toroide de ferrita (23 vueltas aprox.)

Paso 2: Unir el principio del able rojo con el final del cable azul

Paso 3: Conectar una resistencia de 1K ohn conectado al final del cable rojo del toroide.

Paso 4: Conectar la base del transistor con la resistencia.

Paso 5: El colector, la patilla más alejada de la muesca del transitor conectado al cable azul del toroide.

Paso 6: Cables Unidas del toroide al positivo de la pila.

Paso 7: Conectar la parte negativa de la pila al emisor del transistor.

Paso 8: La pata corta de la LED va conectada al emisor del transistor.

Paso 9: La pata larga del diodo LED va conectado al colector del transistor.

Este fue un primer camino hacia la construcción de nuestra planta / lámpara. Es nuestro prototipo sin membrana. Exploramos la posibilidad de impresión 3D para generar un interfáz y sistema de mayor contención, aún por observar los resultados.



Cinema 4D, primera prueba de forma.

Ultimaker Cura, para impresión 3D.

Pero teniendo en cuenta la necesidad de que haya una membrana de por medio de nuestros polos, también construímos un segundo prototipo con el sistema montado en horizontal que nos interesa seguir explorando:

Primero colocamos la tierra de base, y colocamos nuestro tornillo de zinc (cátodo), enseguida, cubrimos nuestro cátodo con una membrana, en este caso utilizamos una bolsa de plástico biodegradable y la cubrimos con una siguiente capa de tierra para luego colocar nuestra barra de gráfito (ánodo), sobre esta capa colocamos la planta, asegurando que las raices de la planta estuvieran en contacto con el ánodo. Este sistema nos dió un voltaje de 0,68v.

Nuestros siguientes observaciones despues de desarrollar ambos prototipos fue que vimos que teníamos que seguir explorando la forma en la que nos montabamos el sistema ya que vimos como solamente despues de un día el gráfito comenzó a oxidarse con el electrodo. Por experiencia con prototipos anteriores, también vimos como despues de un tiempo extendido nuestros electrodos submergidos en la tierra / agua se oxidan y se desintegran.

Obtamos como siguiente paso, trabajar con sensores electrónicos de arduino diseñados para estar submergidas en tierra / agua, tales cómo el sensor de humedad, y asegurarnos que nuestros electrodos no entrasen en contacto con la tierra / agua.

Con el ladrón de joules, estuvimos buscando nuevas formas de optimizar el sistema, dentro de ellos, investigamos el desarrollo de los transformadores. Un transformador es un doble bobinado que puede elevar o disminuir el voltaje de un circuito. En este caso, pudimos elevar nuestro voltaje de 1,6v a 60v después de 20 / 30 segundos de estar conectado, en comparación con los 10v a los que alcanzábamos con nuestro ladrón de joules original. El voltaje va aumentando / fluctuando, y esto nos resulta peligroso a la hora de conectar nuestro LED, nos faltaría ahora poder ver la posibilidad de generar un transformador de menos potencia e investigar sobre procesadores que puedan almacenar / canalizar mejor el output eléctrico.

Como siguiente paso estarémos investigando el diseño en sí del prototipo del sistema para poder dejar nuestro tercer prototipo de planta / lámpara encendida con un LED de alta intensidad de 3V y 0,7A o un LED de alta intensidad de 10V y 1A.

Para probar:
- Cátodo gráfito y zinc ánodo
- Lograr medir amperaje
- Membrana de por medio para lograr más amperaje
- Conectar nuestro transformador a un procesador para equilibrar la eletricidad






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