Роботы ближайшего будущего обойдутся без батарей

Если мы упоминаем автономные источники энергии для электронных устройств, то сегодня это либо батареи, либо сборщики энергии. Батареи хранят энергию внутри, а потому они тяжелые и с ограниченной емкостью.

А вот сборщики, такие как солнечные батареи, собирают энергию из окружающей среды. Они избавлены от некоторых недостатков аккумуляторов, но обладают рядом собственных, уникальных. Так, они работают лишь в определенных условиях и не способны моментально преобразовывать собранную энергию в полезную.

Ученым из школы инженерных и прикладных наук Пенсильванского университета, кажется, впервые удалось преодолеть недостатки обеих технологий и взять лучшее от них. Так на свет появились металл-воздушные сборщики.

Новинка работает как аккумулятор, поскольку обеспечивает питание за счет многократного разрыва и образования химических связей. Но она также работает как сборщик, поскольку берет энергию из окружающей среды, образуемую химическими связями в металле и воздухе вокруг нее.

В итоге получился источник питания с плотностью энергии, чья величина в 10 раз больше по сравнению с лучшими из известных сборщиками энергии и в 13 раз большие, чем у литий-ионных аккумуляторов.

В будущем такой тип источника энергии может стать базой для новой парадигмы в робототехнике, когда машинам для выработки энергии достаточно во время движения зорко следить, не завалялось ли где-нибудь  что-либо  металлическое. Разрушая химические связи металлолома в воздухе, роботы будут подзаряжаться, словно люди во время приема пищи.

Так пара спин-офф компаний в США уже планирует использовать сборщиков металла и воздуха для питания недорогих светильников для автоновных домов в развивающихся странах и датчиков для грузовых контейнеров, которые будут предупреждать о попытке взлома или повреждении.

Доцент кафедры машиностроения и прикладной механики Джеймс Пикул вместе с сотрудниками его лаборатории Мин Вонгом и Уннати Джоши опубликовали исследование в издании ACS Energy Letters.

Основным мотивом к разработке нового источника энергии стало то, что технологии, благодаря которым у роботов есть «мозг», и технологии, которые питают этот мозг энергией, принципиально не совпадают, когда речь заходит о миниатюризации.

Ведь если размеры транзисторов сокращаются, и от этого выигрывают все, то с батарейками так не получается, поскольку плотность химических связей в материале фиксирована, поэтому чем меньше размер, тем меньше этих самых связей, то есть и энергии меньше.

— Это соотношение между вычислительной мощностью и накоплением энергии весьма затрудняет работу небольших устройств и роботов, отметил Пикул. — Давно есть роботы размером с муху, но работают они не больше минуты, пока батарея не сядет.

Если наделить робота батареей большего размера, это тоже не приведет к увеличению времени его работы, ведь дополнительная смасса потребует больше энергии для перемещения.

Единственный способ разорвать эту порочную связь искать химические связи вовне, и не носить их с собой.

— Сборщики солнечной, тепловой или виброэнергии становятся все более совершенными, заметил Пикул. Часто их используют для питания автономных датчиков и электроники в условиях, когда невозможно быстро найти подзарядку.

Проблема в том, что у них низкая плотность энергии, а это значит, что им не удастся извлечь энергию из окружающей среды, преобразовать ее и отдать устройству так же быстро, как это сделала бы батарея.

Зато у новинки энергетическая плотность в 10 раз выше, чем у лучших сборщиков, то есть она вполне может конкурировать с батареями. Новая разработка задействует все тот же принцип получения энергии в результате химической реакции, но реагенты не носит с собой, а находит в окружающей среде.

Как и обычная батарея, металло-воздушный сборщик начинается с катода, которым подключается к питаемому устройству. Под катодом располагается гидрогелевая пластина — губчатая сеть полимерных цепочек, которые проводят электроны между поверхностью металла и катодом с помощью молекул воды. Благодаря гидрогелю, который выполняет роль электролита, любая металлическая поверхность, с которой он соприкасается, работает как анод, позволяя электродам течь к катоду и питать подключенное устройство.

В рамках исследования ученые подключили своего сборщика к небольшому моторизованному транспорту. Волоча за собой гидрогель, машина окисляла металлические поверхности, по которым ехала, и оставляла за собой микроскопический слой ржавчины.

Для демонстрации эффективности данного подхода ученые заставили транспорт двигаться по кругу по алюминиевой поверхности. Машину оснастили небольшим резервуаром, который непрерывно подавал воду в гидрогель, чтобы предотвратить его высыхание.

— Энергетическая плотность — это отношение доступной энергии к весу, который приходится нести, заявил Пикул. — И даже с учетом веса воды наш новый сборщик энергии в 13 раз лучше литий-ионного аккумулятора.

Реакция окисления захватывает лишь 100 микронов поверхности, а потому есть лишь самый небольшой риск того, что металлу, который используется в качестве анода, будет нанесен структурный ущерб.

Возможно, однажды роботам уже не понадобятся батареи: они будут находить себе пищу для подзарядки в окружающей среде самостоятельно. Совсем как люди.

22.04.2020