То, что хорошо для рыб, может быть хорошо и для роботов, поскольку исследователи из Helmholtz-Zentrum Hereon разработали искусственные жабры, которые могут извлекать кислород из морской воды для работы топливных элементов, обеспечивающих питанием роботизированные морские планеры во время длительных миссий.
Подводные планеры стали все более ценным инструментом для океанографических исследований. Отказавшись от традиционных винтов и подруливающих устройств, они перемещаются с помощью движителей с переменной плавучестью, что является громоздким способом сказать, что они движутся, поднимаясь в воде, а затем используя подводные крылья для управления своим направлением при погружении.
Это не очень быстро, но это экономично и позволяет планерам выполнять длительные миссии на тысячи миль для мониторинга состояния океана, поиска загрязнений и проведения военной разведки, погружаясь на глубину до 1000 м (3300 футов). Они также намного дешевле в эксплуатации, чем исследовательские суда, так в чем проблема?
Ложка в глубоководной морской бочке — это питание планеров. Батареи необходимы для работы датчиков, регистраторов и телеметрических систем, но литиевые батареи классифицируются как содержащие опасные материалы, которые подлежат строгим нормам безопасности и охраны окружающей среды.
Кроме того, литиевые батареи имеют свои технические ограничения. Они чувствительны к давлению, подвержены риску протечки, если уплотнения нарушены, могут быть серьезно повреждены морской водой, плохо переносят низкие температуры и могут выделять опасные химикаты.
В качестве более безопасной и менее ограниченной альтернативы инженеры Hereon д-р Лукас Меркельбах и д-р Прокопиос Георгопанос рассматривают топливные элементы, которые преобразуют водород и кислород в электричество. Водород достаточно легко хранить до готовности. Просто храните его в контейнере с металлгидридами, которые поглощают водород до тех пор, пока он не понадобится. Кислород — это другое дело. Он весит в восемь раз больше на единицу, чем водород в воде, и его очень трудно хранить даже в криогенных условиях.
Ответ Hereon — даже не беспокоиться. Вместо этого некоммерческое исследовательское учреждение придумало усовершенствованную силиконовую полимерную мембрану, которая имеет высокую проницаемость для кислорода, но при этом является гидрофобной, чтобы вода не просачивалась. В море более высокая концентрация кислорода на влажной стороне позволяет атомам кислорода мигрировать через мембрану, собираться внутренним рециркулирующим потоком воздуха и подаваться в топливный элемент с протонообменной мембраной (PEMFC), где он соединяется с водородом для производства электроэнергии, причем единственным отходом является вода.
По словам команды, конструкция модульной системы может выдерживать различные подводные условия, включая изменения температуры воды, солености и давления, чтобы обеспечить постоянную подачу кислорода. Кроме того, моделирование вычислительной гидродинамики (CFD) оптимизирует поток воды вокруг мембраны.
Вместе с мембраной имеется система терморегулирования для отвода тепла, вырабатываемого топливным элементом, и, по иронии судьбы, литиевая батарея для хранения энергии в периоды пикового спроса. Лабораторные испытания показывают коэффициент преобразования 50% или эквивалент для систем хранения кислорода в подводных условиях.
«Эта система устраняет необходимость в бортовом хранилище кислорода», — сказал Георгопанос. «Сэкономленный вес и объем можно использовать для дополнительного хранения водорода, что обеспечивает более высокую плотность энергии и более низкие эксплуатационные расходы по сравнению с текущими решениями для аккумуляторов».
Исследование было опубликовано в журнале Advanced Science.
