Разработан генератор для подводных дронов, получающий электроэнергию из морской воды

Подводные транспортные средства, роботы и датчики нуждаются в собственных источниках энергии, способных обеспечить их долговременное независимое функционирование. Новая недорогая система, основанная на прямом электрохимическом извлечении энергии из морской воды, способна также справляться с краткосрочными пиковыми нагрузками. При этом система самостоятельно переключается между двумя режимами работы — об этом рассказывается в статье, опубликованной в журнале Angewandte Chemie.

Картографирование рельефа дна, мониторинг течений и температур, инспектирование подводных трубопроводов и кабелей и их ремонт — таковы примеры задач, выполняемых автономными подводными аппаратами. В этих экстремальных условиях генераторы должны вырабатывать энергию базовой мощности в течении длительного времени и при этом быть способными к генерации повышенной мощности на коротких пиковых интервалах — например, для ускорения аппарата или работы манипуляторов.

Лян Тан, Ху Цзян и Мин Ху с группой коллег из Университета Восточного Китая, Шанхайского университета и Китайской академии наук в Пекине обратили внимание на морские организмы, способные переключать клеточное дыхание между аэробным и анаэробным режимами, используя разные материалы в качестве приёмника электронов. Учёные создали генератор, работающий на таких же принципах.

Ключевым элементом является катод из прусской глазури — решёточной структуры, в которой ионы цианида служат «распорками», а ионы железа — «узлами», которые способны легко принимать и отдавать электроны. Совместно с металлическим анодом эта структура может производить электроэнергию из морской воды.

Если потребность в энергии невелика, поступающие на катод электроны прямо передаются растворённому кислороду. Так как запасы растворённого в морской воде кислорода практически неисчерпаемы, энергия при малом токе может вырабатываться неограниченное время. Если потребление энергии, а значит и ток, резко возрастает, содержание кислорода в катоде оказывается недостаточным, чтобы сразу принять все поступающие электроны. Следовательно, прусская глазурь должна сохранить эти электроны, снизив степень окисления атомов железа с +3 до +2. Для сохранения баланса зарядов, положительные ионы натрия внедряются в решёточную структуру. Поскольку концентрация этих ионов в морской воде велика, многие ионы натрия — а значит, и множество электронов — могут быть абсорбированы за короткое время. Когда потребление энергии снижается, электроны снова переходя на кислород, кислород восстанавливает решёточную структуру, ионы Fe(2+) оксидируются до Fe(3+) и ионы натрия уходят.

Эта система очень устойчива к коррозии в морской воде, и способна выдержать множество переключений между двумя режимами работы. Она проработала с повышенной мощностью непрерывно четыре дня, питая 39 светодиодов и небольшой мотор в винтом.