Подводные роботы и другие транспортные средства нуждаются в собственном источнике энергии для независимой от внешних источников работы на глубине. Существующие силовые установки имеют довольно ограниченный запас хода, поскольку питаются от аккумуляторов.
Этой проблемой занялась объединенная команда исследователей из Восточно-китайского педагогического университета в Шанхае, Шанхайского университета и Китайской научно-исследовательской академии наук об окружающей среде в Пекине. Результаты ее работы были опубликованы в журнале Angewandte Chemie.
Китайские ученые и инженеры создали недорогую систему прямого электрохимического извлечения энергии из морской воды. Она способна давать как постоянную мощность, так и кратковременные скачки для повышенного потребления, причем система переключается между двумя режимами автоматически.
Составление карт подводного рельефа, исследование морских течений, проверка и ремонт трубопроводов и глубоководных кабелей – это лишь несколько примеров тех задач, которые автономно выполняются подводными устройствами в глубинах океана.
В этих экстремальных условиях задача генераторов состоит в том, чтобы с одной стороны давать постоянный и долговременный поток энергии, а с другой – резко повышать энергетический выход для ускорений и быстрых операций. Ученые черпали вдохновение для своей работы в морских организмах, которые могут переключать деятельность своих клеток с аэробного на анаэробный режим и обратно. Новый генератор энергии работает по тем же принципам.
Ключом к открытию является катод с использованием прусской сини, открытой каркасной структуры с цианид-ионами в виде «стоек» и ионами железа в качестве «узлов», которые могут легко принимать и высвобождать электроны. В сочетании с металлическим анодом эта структура может использоваться для выработки электроэнергии из морской воды.
Если потребность в мощности мала, электроны, поступающие в катод, переносятся непосредственно в растворенный кислород. Поскольку растворенный кислород в морской воде неисчерпаем, теоретически может быть обеспечено питание при слабом токе в течение неограниченного времени.
Однако концентрация растворенного кислорода низкая. Когда потребность в мощности и, следовательно, ток резко возрастают, на катоде недостаточно кислорода, чтобы сразу же принять все поступающие электроны. Поэтому прусская синь должен хранить эти электроны, уменьшая степень окисления атомов железа с +3 до +2. Для поддержания баланса заряда положительно заряженные ионы натрия оседают в рамках.
Поскольку они присутствуют в высокой концентрации в морской воде, многие ионы натрия – и, следовательно, много электронов – могут быть поглощены за короткое время. Эта новая система очень устойчива в агрессивной морской воде, выдерживает многочисленные переключения режимов и способна работать четверо суток без перерыва, сообщает Science Daily. Таким образом, подводные роботы получат универсальный источник энергии.
