Батареи верно служили нам на протяжении десятилетий. Но по мере того, как вся электроника уменьшается в размерах, батареи практически не становятся компактнее. Это делает их слишком тяжелыми и неэффективными для некоторых применений, вроде микроробототехники. Это означает, что самые маленькие машины должны использовать какие-то альтернативные источники энергии.
Некоторые устройства пытаются получать энергию из своего окружения. Самый простой и очевидный пример - солнечные батареи. Но солнечные ячейки работают только в конкретных условиях и имеют низкую эффективность, потому не слишком полезны для машин.
Исследователи из Пенсильванского университета разработали робота, который использует в качестве источника энергии окружающий металл и воздух. Команда называет его металловоздушным поглотителем (MAS, metal-air scavenger).
Конструкция MAS немного парадоксальна. Она использует базовую компоновку батареи, но без самой батареи. Как и в обычном аккумуляторе, движение электронов обеспечивается наличием катода, анода и электролита. Но при этом анод не встроен в самого робота. В роли анода выступает любая металлическая поверхность по которой движется MAS в данный момент.
Катод представляет собой электрод в виде углеродной пластинки, покрытой политетрафторэтиленом (ПТФЭ) со вживленными внутрь нее нановолокнами платины. Электролит - гидрогель на основе соленой воды. Когда этот желеобразный пластырь волочится по металлической поверхности, он окисляет металл под ним, разрушая его химические связи для питания самого себя. При этом катод материал восстанавливает кислород из окружающего воздуха.
“MAS вырабатывает энергию в 10 раз лучше, других машин, пытающих получать питание из окружающей среды. Он эффективен до такой степени, что мы можем конкурировать с батареями. Он использует ту же электрохимическую реакцию, что применяется в аккумуляторах, но избавлен от необходимости перевозить их веса, поскольку поглощает эти вещества из окружающей среды”, - говорит ведущий автор исследования Джеймс Пикуль.
Исследователи продемонстрировали технологию, построив систему MAS на базе модельного электромобиля. Машинку прикрепили к оси, поставили на алюминиевую поверхность, и она сама начала двигаться по кругу, не имея на борту ни аккумуляторов, ни батареек.
В процессе исследователям приходилось периодически смачивать гидрогель водой. Но это не делает технологию хуже.
“Плотность энергии - это отношение доступной энергии к весу, который приходится нести машине. Даже с учетом веса воды нужной для смачивания контакта, наш MAS в 13 раз превосходит по плотности литий-ионную батарею. Транспортное средство должно нести только гидрогель и катод, а металл и кислород получает извне”, - говорит Пикуль.
Процесс окисления постепенно разрушает поверхность, по которой движется устройство. За машиной тянется тонкий слой ржавчины. Так что можно сказать, что робот понемногу “ест” металл для поддержания собственного функционирования.
Но процесс окисления затрагивает лишь верхние 100 микрон на поверхности металла. То есть, он не должен нанести существенных структурных повреждений конструкции.
По словам ученых, такая система может использоваться для питания небольших устройств Интернета вещей, вроде датчиков на транспортных контейнерах.
Исследование опубликовано в журнале ACS Energy Letters.
Если хотите получать новости через мессенджер, подписывайтесь на новый Telegram-канал iGate
