Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Baterie działające dzięki spalaniu paliwa na powierzchni nanorurek węglowych

ghost666 18 Mar 2016 23:50 1941 12
  • Baterie działające dzięki spalaniu paliwa na powierzchni nanorurek węglowych
    Baterie zasilają różne urządzenia, które otaczają nas w nowoczesnym świecie: smartfony, zegarki, komputery samochody elektryczne. Wykonane zazwyczaj są z toksycznych materiałów, takich jak np. lit, które muszą być poddawane recyclingowi lub utylizowane w specjalny sposób; ich światowe zasoby także są mocno ograniczone. Naukowcy z MIT postanowili wyjść na przeciwko tym wyzwaniom i stworzyli miniaturowy system generujący prąd elektryczny, który nie wykorzystuje do swojego działania toksycznych materiałów czy metali, a jedynie korzysta z ciepła.

    Nowe podejście oparte jest o odkrycie, które ogłosił w 2010 roku profesor Michael Strano, zajmujący się inżynierią chemiczną na MIT. Profesor Strano, wraz ze swoim zespołem pokazał, że włókna wykonane z nanorurek węglowych mogą generować prąd elektryczny, jeśli ogrzewa się je z jednej strony na drugą. Zrealizować można to np. pokrywając takie włókna palnym materiałem i podpalając z jednej strony. Materiał spalając się od jednej strony włókna do drugiej, ogrzewa je w odpowiedni sposób, co powoduje, że przez włókno płynie prąd.

    Odkrycie to umożliwiło opisanie nieznanego wcześniej zjawiska, ale nie pozwoliło na produkcję prądu w ilości nadającej się do zastosowania tego systemu do zasilania czegokolwiek. Od tego czasu profesor Strano wraz z zespołem pracował nad udoskonaleniem układu, co zakończyło się ogromnym sukcesem. Aktualnie wytwarzane przez nich układy są w stanie dostarczyć tysiąc razy więcej prądu niż pierwszy układ, a gęstość mocy (moc na jednostkę wagi ogniwa) jest porównywalna do najlepszych baterii, jakie znaleźć można na rynku. Oczywiście do komercjalizacji tego układu jeszcze daleka droga - minie najpewniej kilka lat, zanim będzie można stworzyć gotową do sprzedaży baterię.

    Złapać falę

    "To zadziwiające, że zjawisko to nie było wcześniej badane" - mówi profesor Strano. "Wiele wysiłków zespołu skupiało się nie na poprawie wydajności tego procesu, ale także na zrozumieniu podstawowych przyczyn, dlaczego to działa". Jak opisują naukowcy - najnowsze eksperymenty wykazują wysoką zgodność wyników z przewidywaniami teoretycznymi, co jest dosyć mocnym dowodem, że mechanizm, stojący za efektem, został poznany. Zasadniczo zjawisko opiera się o fakt, że impulsy ciepła przepychają elektrony przez wiązki nanorurek węglowych - trochę tak jak fala niesie surferów.

    Kluczowym dla zrozumienia efektu odkryciem, które pomogło zweryfikować teorię, było zauważenie, że fale ciepła powodują zazwyczaj stałą różnicę potencjałów - tylko czasami we włóknie występowały jednocześnie dwa potencjały. "Nasz model matematyczny dosyć dobrze opisywał to, co zachodziło" -mówi profesor - inne teorie nie były w stanie opisać wszystkich eksperymentów. Zgodnie z hipotezą zespołu z MIT, siła termomotoryczna dzieli się na dwie składowe, które czasami się dodają, a czasami znoszą we włóknie.





    Poprawa wydajności układu "przenosi tą technologię od laboratoryjnej ciekawostki do bycia potencjalnym rozwiązaniem technologicznym dla urządzeń przenośnych" - mówi naukowiec. Baterie tego rodzaju zastąpić mogą ogniwa paliwowe czy baterie litowo-jonowe. W najnowszych prototypach wydajność konwersji ciepła na energię elektryczną przekracza 1%, co jest o rząd wielkości większą wartością, niż to co pokazują inni. W porównaniu do pierwszego ogniwa wydajność jest 10 tysięcy razy lepsza.

    "Ogniwom litowo-jonowym zajęło 25 lat dotarcie do poziomu wydajności, przy jakiej pracują teraz" - zauważa naukowiec. Technologia opracowana na MIT ma dopiero jedną piątą tego wieku. Dodatkowo, pamiętać należy, że jest bezpieczniejsza: lit jest palnym metalem i może wybuchnąć, jeżeli wystawimy go na działanie tlenu atmosferycznego. Paliwo wykorzystane w opisywanej baterii nie jest tak niebezpieczne, a dodatkowo pochodzić ono może ze źródeł odnawialnych.

    Łyżeczka cukru

    Jakkolwiek wczesne eksperymenty wykorzystywały materiały potencjalnie niebezpieczne do generacji impulsów ciepła, które 'zasilają' ogniwo, to najnowsze układy wykorzystują o wiele przyjaźniejsze paliwo: sukrozę, czyli w zasadzie normalny cukier, jaki spotykamy w każdej kuchni. Ale oczywiście, jak zauważają naukowcy, każdy palny materiał może być wykorzystano jako paliwo, z lepszą lub gorszą wydajnością konwersji. W odróżnieniu od innych technologii baterii, które opierają się na dokładnie znanej reakcji pewnych chemikaliów, to ogniwo oparte o włókna z nanorurek węglowych wykorzystywać może dowolne paliwo, jakie jest w stanie wygenerować odpowiednie ciepło. Wraz z rozwojem nowych materiałów - paliw - możliwe będzie dalsze udoskonalanie konstrukcji układu poprzez wymianę paliwa na inne.

    Aktualnie laboratoryjne prototypy są w stanie zasilać proste urządzenia elektroniczne, takie jak latarki LED. Co niezwykle interesujące, układ ten nie traci mocy wraz z przechowywaniem, jak ma to miejsce z konwencjonalnymi bateriami. Oznacza to potencjalnie nieograniczoną datę przydatności do wykorzystania, jak zauważają naukowcy. Ma to także poważniejsze implikacje - wykorzystywać można takie źródła zasilania np. w sondach kosmicznych, które lecą przez wiele lat do celu, skąd muszą nadać komunikat itd. W takiej sytuacji czas przydatności baterii do wykorzystania jest nie bez znaczenia.

    Ogniwo oparte o nanorurki węglowe doskonale się skaluje, co pozwoli wykorzystać je do zasilania niewielkich urządzeń elektroniki noszonej. Konwencjonalne baterie czy ogniwa paliwowe mają pewne ograniczenia rozmiaru, poniżej których nie można po prostu zejść - sytuacja taka nie ma miejsca z opisywanymi ogniwami - je można zmniejszyć do bardzo małych rozmiarów.

    Profesor Kourosh Kalantar-Zadeh z RMIT w Australii komentuje, że opisana powyżej praca to "bardzo istotny krok na drodze do wykazania rosnących możliwości i czasu życia układów energetycznych opartych o fale termiczne". "Wierzę, że jesteśmy jeszcze daleko od górnego limitu dla układów termoenergetycznych, jaki będzie można osiągnąć w przyszłości. Jednakże ten krok czyni tą technologię coraz bardziej atrakcyjną do zastosowania w realnych aplikacjach. (...) Z wykorzystaniem tej technologii możliwe jest otrzymywanie nagłych impulsów o wysokiej mocy - coś, co nie jest realne z wykorzystaniem konwencjonalnych systemów. Układy takie można by wykorzystać w mikro i nano systemach do komunikacji dalekozasięgowej" - mówi naukowiec.

    Źródło: http://techxplore.com/news/2016-03-battery-substitutes-current-fuel-coated-carbon.html

  • #2 19 Mar 2016 11:33
    Cezary_
    Poziom 16  

    Rzecz nie przejdzie.
    Ekoterroryści to zablokują, bo produktem spalania cukru jest CO2.

  • #3 19 Mar 2016 12:19
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Cezary_ napisał:
    Rzecz nie przejdzie.
    Ekoterroryści to zablokują, bo produktem spalania cukru jest CO2.


    Ehe, tak jak zablokowali produkcję samochodów, ogniw kadmowych itp.

  • #4 19 Mar 2016 13:15
    koczis_ws
    Poziom 25  

    Cytat:
    Oznacza to potencjalnie nieograniczoną datę przydatności do wykorzystania, jak zauważają naukowcy. Ma to także poważniejsze implikacje - wykorzystywać można takie źródła zasilania np. w sondach kosmicznych, które lecą przez wiele lat do celu, skąd muszą nadać komunikat ...

    Coś mi się tu nie zgadza. Jeśli ta bateria ma wysłać sygnał po długim czasie to musi zostać zainicjowane czymś co musi mieć zasilanie . . . tylko czym? A jeśli to ogniwo ma cały czas pracować to zabraknie paliwa . Chyba że weźmie się go duuuuży worek :)

  • #5 19 Mar 2016 13:22
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    koczis_ws napisał:
    Cytat:
    Oznacza to potencjalnie nieograniczoną datę przydatności do wykorzystania, jak zauważają naukowcy. Ma to także poważniejsze implikacje - wykorzystywać można takie źródła zasilania np. w sondach kosmicznych, które lecą przez wiele lat do celu, skąd muszą nadać komunikat ...

    Coś mi się tu nie zgadza. Jeśli ta bateria ma wysłać sygnał po długim czasie to musi zostać zainicjowane czymś co musi mieć zasilanie . . . tylko czym? A jeśli to ogniwo ma cały czas pracować to zabraknie paliwa . Chyba że weźmie się go duuuuży worek :)


    Do inicjacji spalanie nie potrzeba zbyt wiele energii, a można jej uzyskać całkiem sporo.

  • #6 19 Mar 2016 13:28
    koczis_ws
    Poziom 25  

    Wiem, tylko nawet tą mikroskopijną ilość energii musimy posiadać i podtrzymywać przez cały czas lotu. Nie wiem czy po wyleceniu daleko poza układ słoneczny można liczyć na baterie słoneczne ? A jaka jest trwałość ogniw atomowych ?

  • #7 19 Mar 2016 13:57
    Cezary_
    Poziom 16  

    Mikroskopijną ilość energii to można zgromadzić w kondensatorze, ładowanym w czasie pracy ogniwa paliwowego...

  • #8 19 Mar 2016 14:01
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Cezary_ napisał:
    Mikroskopijną ilość energii to można zgromadzić w kondensatorze, ładowanym w czasie pracy ogniwa paliwowego...


    Albo nawet mieć zgromadzoną w rzeczonym kondensatorze z ogniw fotowoltaicznych albo radioizotopowego generatora termoelektrycznego.

  • #9 19 Mar 2016 15:10
    japko1024
    Poziom 17  

    Wydajność konwersji ciepła na np. energię elektryczną zawsze będzie ograniczona przez II zasadę termodynamiki. Część ciepła musi zostać odprowadzona do chłodnicy, ale można ją ograniczyć, zwiększając różnicę temperatur pomiędzy nagrzewnicą a chłodnicą (np. podnosząc temperaturę spalania). W przypadku ogniw paliwowych ten problem nie występuje. Ewentualnie może udałoby się jako źródło ciepła wykorzystać skupione promieniowanie słoneczne?

  • #10 19 Mar 2016 15:19
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    japko1024 napisał:
    Wydajność konwersji ciepła na np. energię elektryczną zawsze będzie ograniczona przez II zasadę termodynamiki. Część ciepła musi zostać odprowadzona do chłodnicy, ale można ją ograniczyć, zwiększając różnicę temperatur pomiędzy nagrzewnicą a chłodnicą (np. podnosząc temperaturę spalania). W przypadku ogniw paliwowych ten problem nie występuje. Ewentualnie może udałoby się jako źródło ciepła wykorzystać skupione promieniowanie słoneczne?


    Tutaj nie chodzi o ciepło jako takie, a o wytwarzanie gradientu ciepła, z tego co rozumiem z publikacji zespołu z MIT.

  • #11 21 Mar 2016 09:11
    koczis_ws
    Poziom 25  

    Drążąc dalej temat zastosowania w dalekosiężnych wyprawach kosmicznych. Musimy zapewnić różnicę temperatury na końcach ogniwa (II zasada termodynamiki). Z jednej strony grzejemy ale z drugiej musimy chłodzić.
    Teoretycznie na zewnątrz panuje temp. bliska zeru absolutnemu ale również jest próżnia, więc przewodnictwo cieplne jest znikome, pozostaje tylko emisja energii przez promieniowanie.

  • #12 21 Mar 2016 14:25
    japko1024
    Poziom 17  

    Myślę, że mając promiennik o wystarczająco dużej powierzchni (może być powiększona przez umieszczone na niej nanostruktury) i współczynniku emisji/absorpcji w odpowiednim zakresie długości fali, można uzyskać niskie temperatury. Czytałem, że kiedyś produkowano lód, wlewając wodę do płaskiego, dużego naczynia leżącego na izolacji ze słomy pod nocnym, bezchmurnym niebem (zauważmy, że to działało pomimo grubej warstwy atmosfery, więc w kosmosie powinno być jeszcze łatwiej).

  • #13 23 Mar 2016 00:14
    japko1024
    Poziom 17  

    ghost666 napisał:
    japko1024 napisał:
    Wydajność konwersji ciepła na np. energię elektryczną zawsze będzie ograniczona przez II zasadę termodynamiki. Część ciepła musi zostać odprowadzona do chłodnicy, ale można ją ograniczyć, zwiększając różnicę temperatur pomiędzy nagrzewnicą a chłodnicą (np. podnosząc temperaturę spalania). W przypadku ogniw paliwowych ten problem nie występuje. Ewentualnie może udałoby się jako źródło ciepła wykorzystać skupione promieniowanie słoneczne?


    Tutaj nie chodzi o ciepło jako takie, a o wytwarzanie gradientu ciepła, z tego co rozumiem z publikacji zespołu z MIT.

    Czy nie miałeś na myśli gradientu temperatury? Jest on potrzebny do pracy silników cieplnych każdego typu, również takiego jak tutaj opisany. Ale nieprawdą jest, że "tutaj nie chodzi o ciepło", bo jaki inny rodzaj energii jest w takim ogniwie (i innych silnikach cieplnych) zamieniany na energię elektryczną? Część ciepła pochodzącego z ogrzewanej strony jest przetwarzana na użyteczną pracę, a reszta trafia do chłodnicy. Im większa różnica temperatur, tym większa sprawność.