Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Исследователи создали искусственные жабры, которые извлекают кислород из морской воды для заправки топливных элементов, что позволяет морским роботам или автономным подводным аппаратам выполнять длительные задачи.
Новинка, созданная командой из Гельмгольц-центра Хереон в Германии, использовала мембранную технологию для извлечения кислород из морской воды, подобно жабрам рыбы. Прототип, основанный на математической модели, был построен и проверен, а также был создан цифровой двойник. Анализ показывает, что он может превзойти существующие системы питания на основе батарей.
По мнению разработчиков, их система, использующая водород в качестве топлива, более экологична, чем литиевые батареи, и увеличивает дальность океанских роботов.
Исследование глубин без батарей
Океанские роботы работают в автономном режиме в течение нескольких недель, измеряя температуру, давление, солёность воды, кислород и течения с помощью бортовых датчиков.
Способность опускаться на глубину до 1 000 метров позволяет им проводить измерения, которые трудно выполнить исследовательским суднам. Кроме того, содержание такой техники обходится гораздо дешевле.
Однако исследовательские группы учёных сталкиваются с трудностями при использовании литиевых батарей. Их необходимо перевозить в соответствии со строгими стандартами безопасности, поскольку они относятся к категории опасных материалов, что усложняет логистику и повышает стоимость исследований.
Теперь придумана замена. Немецкие разработчики предлагают использовать для питания подводных аппаратов не батареи, а топливные элементы, вырабатывающие электричество из водорода и кислорода. Ведь водород может быть добавлен в него на месте развёртывания аппарата. А контейнеры с гидридами металлов – эффективный и надёжный способ хранения.
По словам исследователей, образуя на атомном уровне связь с гидридами металлов, эти гидриды хранят водород. В отличие от этого, кислород берется прямо из морской воды и не хранится.
«Эта система устраняет необходимость в бортовом хранилище кислорода. Сэкономленные вес и объём можно использовать для дополнительного хранения водорода, что позволит повысить плотность энергии и снизить эксплуатационные расходы по сравнению с существующими аккумуляторными батареями. Это позволит роботам-планерам работать в течение более длительного времени. Кроме того, водород – более устойчивый источник энергии, чем батареи» – говорит Прокопиос Георгопанос из Института мембранных исследований при Гельмгольц-центре Хереон.
Энергия из искусственных жабр
Система использует топливный элемент с протонообменной мембраной для получения электроэнергии из водорода и кислорода.
Водород надёжно хранится в металлогидридном сплаве низкого давления, а кислород извлекается из морской воды через специализированную мембрану. Мембраны изготовлены из полидиметилсилоксана (ПДМС), гидрофобного полимера, широко используемого для разделения газов. По сравнению с политетрафторэтиленом или полиолефинами, ПДМС обладает превосходной кислородопроницаемостью.
Исследователи изготовили мембрану, используя специальную смесь на основе силикона со соединяющими агентами и платиновым катализатором. Она была отлита на пористую основу, покрытую полиакрилонитрилом. Толщина готовой мембраны составила 4 мкм, и её протестировали на поток кислорода с помощью специального устройства, замерив проницаемость на уровне 3,39×10-⁹ моль м-² с-¹ Pa-¹ на четырёх образцах.
Мембрана, встроенная в корпус AUV, пропускает растворённый кислород, блокируя при этом жидкую воду. Кислород диффундирует через мембрану благодаря градиенту давления, создаваемому в результате работы топливного элемента. Отработанное тепло и водяной пар являются побочными продуктами, поэтому требуется компонент осушения воздуха. Но теплообменник не был включён в прототип из-за короткой продолжительности испытаний.
В то время как топливный элемент и накопитель водорода уже доступны на рынке, ключевой инновацией является мембранный модуль, имитирующий рыбьи жабры для эффективной подачи кислорода. Его производительность определяет доступность энергии.
Исследователи утверждают, что эта конструкция является перспективной альтернативой батареям для длительных полётов на океанском планере, обеспечивая большую эффективность и устойчивость.
Поделись видео: