Исследователи из центра Helmholtz-Zentrum Hereon разработали искусственные жабры, способные извлекать кислород из морской воды. Это новшество позволит использовать топливные элементы для питания автономных подводных глайдеров во время длительных миссий.
Подводные глайдеры становятся все более важными инструментами для изучения океанов. Вместо традиционных винтов и двигателей они перемещаются за счёт изменения плавучести: поднимаются в воде, а затем, опускаясь, регулируют направление с помощью гидрофойлов. Хотя этот способ не обеспечивает высокой скорости, он экономичен и позволяет глайдерам преодолевать тысячи километров, исследовать состояние океана, отслеживать загрязнения и выполнять военные задачи на глубине до 1000 метров. При этом их эксплуатация обходится дешевле, чем использование исследовательских судов.
Основной проблемой остаётся энергоснабжение. Для работы сенсоров, записывающих и передающих данные систем требуются аккумуляторы, однако литиевые батареи, традиционно используемые в таких устройствах, имеют множество ограничений. Они считаются опасными материалами, подвержены воздействию давления, могут протекать при повреждении герметизации, плохо переносят низкие температуры и способны выделять вредные вещества.
Инженеры Hereon, доктор Лукас Меркельбах и доктор Прокопиос Георгопанос, предложили альтернативу — топливные элементы, использующие водород и кислород. Водород можно безопасно хранить в виде металлогидридов, однако с кислородом ситуация сложнее: он в восемь раз тяжелее водорода и его трудно хранить даже в криогенных условиях.
Решением стало использование инновационной силиконовой полимерной мембраны, обладающей высокой проницаемостью для кислорода и гидрофобностью, препятствующей проникновению воды. В океане высокая концентрация кислорода на внешней стороне мембраны позволяет его молекулам проходить внутрь, где он собирается и направляется в протон-обменный мембранный топливный элемент (PEMFC). Там кислород реагирует с водородом, вырабатывая электроэнергию, а побочным продуктом становится обычная вода.
Разработанная система учитывает изменения температуры, солёности и давления воды, обеспечивая стабильное поступление кислорода. Для оптимизации работы применяется моделирование гидродинамических потоков. Помимо мембраны, система включает теплообменник для отвода избыточного тепла и дополнительную литиевую батарею для пиковых нагрузок. Лабораторные испытания показали эффективность технологии на уровне 50%, что сопоставимо с традиционными системами хранения кислорода.
«Эта система устраняет необходимость хранения кислорода на борту. Освободившийся объём можно использовать для увеличения запасов водорода, что повышает энергоэффективность и снижает затраты по сравнению с существующими аккумуляторными решениями», — отмечает Георгопанос.
Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Science.
