Нова технологія сміттяра дозволяє роботам "з’їдати" метал для отримання енергії

Коли електроніці потрібні власні джерела живлення, існує два основних варіанти: акумулятори та комбайни. Акумулятори внутрішньо накопичують енергію, але тому є важкими та мають обмежений запас. Комбайни, такі як сонячні панелі, збирають енергію з навколишнього середовища. Це обходить деякі недоліки акумуляторів, але вводить нові, оскільки вони можуть працювати лише в певних умовах і не можуть дуже швидко перетворити цю енергію на корисну енергію.

Нові дослідження Школи інженерних та прикладних наук Університету Пенсільванії вперше заповнюють розрив між цими двома фундаментальними технологіями у формі "поглинача металу і повітря", який отримує найкраще з обох світів.

Цей поглинач металу і повітря працює як батарея, оскільки він забезпечує живлення шляхом багаторазового розриву та утворення серії хімічних зв’язків. Але він також працює як комбайн, оскільки енергія забезпечується енергією в його середовищі: зокрема, хімічні зв’язки в металі та повітрі, що оточують метало-повітряний поглинач.

Результат - джерело живлення, яке має в 10 разів більшу щільність енергії, ніж найкращі комбайни енергії, і в 13 разів більшу щільність енергії, ніж літій-іонні акумулятори.

У довгостроковій перспективі цей тип джерела енергії міг би стати основою для нової парадигми в робототехніці, де машини забезпечують себе завдяки пошуку та «поїданню» металу, руйнуючи його хімічні зв’язки з енергією, як це роблять люди з їжею.

Найближчим часом ця технологія вже забезпечує пару відокремлених компаній. Переможці щорічного конкурсу Y-Prize Пенна планують використовувати поглиначі металевого повітря для живлення недорогих світильників для будинків, що не входять в мережу, у країнах, що розвиваються, та довговічних датчиків для транспортування контейнерів, які можуть попереджати про крадіжку, пошкодження або навіть про людину торгівля людьми.

Дослідники, Джеймс Пікул, доцент кафедри машинобудування та прикладної механіки, разом із Міном Вангом та Уннаті Джоші, членами його лабораторії, опублікували дослідження, що демонструє можливості їхнього сміттєпроводу в журналі ACS Energy Letters.

Мотивація для розробки їх метало-повітряного поглинача (MAS) виникла з того факту, що технології, що складають мозок роботів, і технології, що їх живлять, принципово не співпадають, коли йдеться про мініатюризацію.

Оскільки розмір окремих транзисторів зменшується, мікросхеми забезпечують більшу обчислювальну потужність у менших і легших упаковках. Але акумулятори не отримують однакової вигоди, коли їх стає менше; щільність хімічних зв’язків у матеріалі фіксована, тому менші батареї обов’язково означають меншу кількість зв’язків, що розриваються.

"Це перевернуте співвідношення між обчислювальними характеристиками та накопиченням енергії дуже ускладнює роботу невеликих пристроїв та роботів протягом тривалого періоду часу", - говорить Пікуль. "Існують роботи розміром з комах, але вони можуть працювати лише хвилину, перш ніж у їх батареї закінчиться енергія".

Гірше того, додавання більшої батареї не дозволить роботові прослужити довше; додана маса вимагає більше енергії для руху, заперечуючи додаткову енергію, яку забезпечує більший акумулятор. Єдиний спосіб розірвати ці неприємні зворотні стосунки - це шукати хімічні зв’язки, а не збирати їх.

"Комбайни, як ті, що збирають сонячну, теплову або вібраційну енергію, покращуються", - говорить Пікуль. "Вони часто використовуються для живлення датчиків та електроніки, які виходять за межі мережі, і де у вас може не бути нікого, хто міняє батареї. Проблема в тому, що вони мають низьку щільність енергії, тобто вони не можуть виводити енергію з навколишнього середовища так швидко, наскільки це може доставити акумулятор ".

"Наш MAS має щільність потужності, яка вдесятеро краща за найкращі комбайни, до такої міри, що ми можемо конкурувати з акумуляторами", - говорить він. - Він використовує хімію акумуляторів, але не має належної ваги, оскільки приймає ці хімікати від навколишнього середовища ".

Як і традиційний акумулятор, MAS дослідників починається з катода, підключеного до пристрою, який він живить. Під катодом знаходиться плита гідрогелю - губчаста мережа полімерних ланцюгів, яка проводить електрони між поверхнею металу та катодом через молекули води, які вона несе. З гідрогелем, який діє як електроліт, будь-яка металева поверхня, до якої він торкається, виконує функцію анода батареї, дозволяючи електронам надходити на катод і живити підключений пристрій.

Для цілей свого дослідження вчені підключили до MAS невеликий моторизований транспортний засіб. Затягнувши за собою гідрогель, транспортний засіб MAS окислив металеві поверхні, через які він проїхав, залишаючи мікроскопічний шар іржі за собою.

Щоб продемонструвати ефективність цього підходу, дослідники мали привід автомобіля MAS по колу на алюмінієвій поверхні. Автомобіль був обладнаний невеликим резервуаром, в який постійно потрапляла нечиста вода у гідрогель, щоб запобігти його висиханню.

"Щільність енергії - це відношення доступної енергії до ваги, яку потрібно перевезти", - говорить Пікуль. "Навіть враховуючи вагу зайвої води, MAS мав в 13 разів більше енергетичної щільності літій-іонної батареї, оскільки транспортний засіб повинен перевозити лише гідрогель і катод, а не метал або кисень, які забезпечують енергію".

Дослідники також протестували автомобілі MAS на цинку та нержавіючій сталі. Різні метали надають MAS різну щільність енергії залежно від їх потенціалу окислення.

Ця реакція окислення відбувається лише в межах 100 мкм поверхні, тому, хоча MAS може використовувати багато доступних зв'язків при багаторазових відключеннях, існує невеликий ризик того, що він завдасть значної структурної шкоди металу, який він очищує.

З такою великою кількістю можливих застосувань система MAS дослідників була цілком природною для щорічної премії Y-Prin від Пенна, конкурсу бізнес-планів, який кидає виклик командам будувати компанії навколо нових технологій, розроблених в Penn Engineering. Цьогорічна команда, яка займає перше місце, Metal Light, заробила 10 000 доларів за свою пропозицію використовувати технологію MAS у недорогих системах освітлення будинків поза мережею у країнах, що розвиваються. M-Squared, який заробив 4000 доларів на другому місці, має намір використовувати датчики з живленням MAS у транспортних контейнерах.

"Найближчим часом ми бачимо, що наші MAS забезпечують технології Інтернету речей, як-от те, що пропонують Metal Light і M-Squared", - говорить Пікуль. "Але те, що нас насправді було переконливим, і мотивація цієї роботи - це те, як це змінює наше мислення щодо проектування роботів".

Більша частина інших досліджень Пікула включає вдосконалення технологій, беручи підказки з природного світу. Наприклад, високоміцна "металева деревина" його лабораторії була натхненна клітинною структурою дерев, а його робота над роботизованою рибою-крилаткою передбачала надання їй рідкої акумуляторної системи кровообігу, яка також пневматично приводила в дію її плавники.

Дослідники вважають, що їх MAS спирається на ще більш фундаментальну біологічну концепцію: їжу.

"Оскільки ми отримуємо роботів, які є більш розумними та більш здібними, нам більше не потрібно обмежуватись ув'язуванням їх у стіну. Тепер вони можуть знаходити джерела енергії для себе, як і люди", - говорить Пікуль. "Одного разу, роботу, який повинен зарядити свої батареї, просто потрібно буде знайти трохи алюмінію, щоб" з'їсти "за допомогою MAS, що дасть йому достатньо енергії для роботи до наступного прийому їжі".

Ця робота була підтримана Управлінням морських досліджень, грант N00014-19-1-2353. Це було здійснено частково в Центрі нанотехнологій Сінгха, який підтримується Національною програмою з координації інфраструктури нанотехнологій за грантом NNCI-1542153.