Când electronica are nevoie de propriile surse de energie, există două opțiuni de bază: baterii și generatoare.
Bateriile stochează energie internă, dar, prin urmare, sunt grele și au o alimentare limitată. Recoltatorii, ca și panourile solare, colectează energie din mediile lor.
Aceasta eludează unele aspecte negative ale bateriilor, dar introduce altele noi, deoarece acestea pot funcționa doar în anumite condiții și nu pot transforma energia primară în energie utilă foarte repede.
Noile cercetări de la Școala de Inginerie și Știință Aplicată de la Universitatea din Pennsylvania limitează pentru prima dată diferența dintre aceste două tehnologii cheie, sub forma unui „dispozitiv metal-aer” care obține cel mai bun rezultat extrăgând energie din ambele medii.
Acest măturator metal-aer funcționează ca o baterie, deoarece oferă energie prin spargerea și formarea unei serii de legături chimice.
Dar funcționează, de asemenea, ca o mașină de recoltat, întrucât energia electrică este furnizată de energia în mediul său: în special, legăturile chimice din metal și aer care înconjoară dispozitivul.
Rezultatul este o sursă de energie care are o densitate de putere de 10 ori mai mare decât cei mai buni colectori de energie și de 13 ori mai multă densitate de energie decât bateriile cu ioni de litiu.
Pe termen lung, acest tip de sursă de energie ar putea sta la baza unei noi paradigme în robotică, în care mașinile se mențin alimentate prin căutarea și „curățarea” metalului, încărcându-și legăturile chimice pentru energie așa cum o fac oamenii cu… mâncarea.
Pe termen scurt, această tehnologie alimentează deja câteva companii de tip spin-off. Câștigătorii concursului anual de premii Y de la Penn intenționează să utilizeze dispozitivele cu aer metalic pentru a alimenta lumini low-cost pentru locuințe off-grid din țările în curs de dezvoltare și senzori de lungă durată pentru containere care pot avertiza despre furt, pagube sau chiar trafic de persoane.
Cercetătorii, James Pikul, profesor asistent la Departamentul de Inginerie Mecanică și Aplicată Mecanică, împreună cu membrii săi de laborator Min Wang și Unnati Joshi, au publicat un studiu care demonstrează capabilitățile dispozitivelor lor în revista ACS Energy Letters.
Motivația pentru dezvoltarea măturătorului metal-aer, sau MAS, a pornit de la faptul că tehnologiile care alcătuiesc creierul roboților și tehnologiile care îi alimentează sunt fundamental nepotrivite atunci când vine vorba de miniaturizare.
Pe măsură ce dimensiunea tranzistoarelor individuale devine mai mică, cipurile asigură mai multă putere de calcul în pachete mai mici și mai ușoare.
Dar bateriile nu beneficiază în același mod atunci când se epuizează; densitatea legăturilor chimice dintr-un material este fixă, prin urmare, bateriile mai mici înseamnă în mod necesar mai puține legături de rupere.
„Această relație inversă dintre performanța procesării și stocarea energiei face foarte dificil să funcționeze dispozitivele și roboții la scară mică”, spune Pikul. „Există roboți de dimensiunile unei insecte, dar pot rula doar un minut înainte ca bateria să se scurgă.”
Mai rău încă, adăugarea unei baterii mai mari nu va permite unui robot să dureze mai mult; masa adăugată necesită mai multă energie pentru a se deplasa, anulând energia suplimentară furnizată de bateria mai mare.
Singura modalitate de a rupe această frustrantă relație inversată este de a căuta să rupem legături chimice, mai degrabă decât de a le uni.
„Recoltatorii, precum cei care recoltează energie solară, termică sau vibrațională, se îmbunătățesc”, spune Pikul.
„Sunt adesea obișnuiți să alimenteze senzori și electronice care sunt off-grid și unde este posibil să nu aveți nicio sursă în preajmă să înlocuiască bateriile.
Problema este că acestea au o densitate scăzută de putere, ceea ce înseamnă că nu pot extrage energie din mediu în aceeași viteză ca o baterie.
MAS-ul nostru are o densitate de putere de zece ori mai bună decât cele mai bune sectoare, până la punctul în care putem concura cu bateriile”, spune el, „Folosește chimia bateriilor, dar nu are greutatea lor, pentru că ia aceleași substanțe chimice din mediu”.
Ca și o baterie tradițională, MAS-ul cercetătorilor începe cu un catod conectat la dispozitivul pe care îl alimentează.
Sub catod se află o placă de hidrogel, o rețea spongioasă de lanțuri de polimeri care conduce electroni între suprafața metalului și catod prin moleculele de apă pe care le transportă.
Cu hidrogelul care acționează ca un electrolit, orice suprafață metalică pe care o atinge funcționează ca anodul unei baterii, permițând electronilor să curgă către catod și să alimenteze dispozitivul conectat.
În scopul studiului lor, cercetătorii au conectat un vehicul mic cu motor la MAS. Trăgând hidrogelul în spatele său, vehiculul MAS a oxidat suprafețele metalice pe care a călătorit, lăsând în urmă un strat microscopic de rugină.
Pentru a demonstra eficacitatea acestei abordări, cercetătorii și-au condus vehiculul MAS în cercuri pe o suprafață de aluminiu. Vehiculul era echipat cu un rezervor mic care stropea în mod continuu apă pe hidrogel pentru a împiedica uscarea acestuia.
„Densitatea energetică este relația dintre energia disponibilă și greutatea care trebuie transportată”, spune Pikul.
„Chiar și luând în considerare greutatea apei în plus, MAS avea o densitate de energie de 13 ori mai mare decât cea a unei baterii cu ioni de litiu, deoarece vehiculul trebuia să transporte doar hidrogelul și catodul, și nu metalul sau oxigenul care furnizează energie”.
Cercetătorii au testat și vehicule MAS pe zinc și oțel inoxidabil. Diferite metale conferă MAS-ului densități energetice diferite, în funcție de potențialul lor de oxidare.
Această reacție de oxidare are loc doar la 100 de microni de la suprafață, așa că, în timp ce MAS poate epuiza toate legăturile disponibile cu o deplasare repetată, există puține riscuri de a provoca daune structurale semnificative metalului pe care îl mătură.
Cu atât de multe utilizări posibile, sistemul MAS al cercetătorilor s-a adaptat în mod natural la premiul Y anual al Univ. Penn, o competiție de plan de afaceri care provoacă echipele să construiască companii în jurul tehnologiilor în curs de dezvoltare dezvoltate în Penn Engineering.
Echipa de top din acest an, Metal Light, a câștigat 10.000 de dolari pentru propunerea lor de a folosi tehnologia MAS în iluminarea low-cost pentru casele off-grid din țările în curs de dezvoltare.
M-Squared, care a câștigat 4.000 de dolari pe locul doi, intenționează să utilizeze senzori alimentați de MAS în containere.
„Pe termen scurt, vedem MAS-ul nostru cum alimentează tehnologiile pentru internetul device-urilor, cum ar fi, ceea ce oferă Metal Light și M-Squared”, spune Pikul.
„Dar ceea ce a fost cu adevărat interesant pentru noi și motivația din spatele acestei lucrări, este maniera în care se schimbă gândirea în proiectarea roboților”.
O mare parte din celelalte cercetări ale lui Pikul se referă la îmbunătățirea tehnologiei, luând semne din lumea naturală.
De exemplu, „lemnul metalic” de înaltă rezistență, de densitate mică, al laboratorului său, a fost inspirat de structura celulară a copacilor, iar munca sa asupra unui dispozitiv robotizat a implicat crearea unui sistem circulator cu baterii lichide care funcționa și el pneumatic prin aripioarele sale.
Cercetătorii văd MAS-ul ca pe un concept biologic și mai fundamental: hrana.
„Pe măsură ce obținem roboți mai deștepți și mai capabili, nu mai trebuie să-i conectăm doar la un panou sau priză. Acum pot găsi surse de energie pentru ei înșiși, la fel ca oamenii, hrana” spune Pikul.
„Într-o bună zi, un robot care trebuie să-și reîncarce bateriile va trebui doar să găsească un pic de aluminiu din care să se hrănească un MAS, ceea ce i-ar oferi suficientă energie pentru a-l rula până la următoarea masă.” Sursa: Universitatea din Pennsylvania
