Degvielas šūna jūsu tālrunī

Industriālajā parkā Losalamosā (JM), netālu no atombumbas dzimšanas vietas, Roberts Hokadejs sēž pārblīvētajā sava starta uzņēmuma Manhattan Scientifics laboratorijā, turot rokās vizītkartes izmēra caurspīdīgas plastmasas plāksteri. Rūpīgāk pārbaudot, redzams shēmas platei līdzīgs melnā platīna un rutēnija raksts, kas uzdrukāts abās pusēs. Tā ir piecu centimetru reiz 13 centimetru lielas spēkstacijas iekšpuse, kas pati ražo elektroenerģiju, par degvielu izmantojot metanolu. No pirmā acu uzmetiena tas var nešķist daudz, taču tas ir viens no jaunas mazo barošanas bloku klases biedriem, kas ir gatavi eksplodēt tirgū, un tas vienkārši var iznīcināt vienu no pasaulē izplatītākajām tehnoloģijām — akumulatoru.

Šīs miniatūras spēkstacijas, ko sauc par mikrokurināmā elementiem, sola milzīgu jaudas palielinājumu portatīvajai elektronikai, sākot no mobilajiem tālruņiem līdz klēpjdatoriem un beidzot ar nākamo paaudžu enerģiju izsalkušām, tīmeklī iespējotām rokas ierīcēm. Mūsdienu labākās litija jonu mobilo tālruņu baterijas nodrošina vidēji tikai četras stundas sarunu laika; mikro degvielas šūnas varētu nodrošināt līdz pat 20 stundām sarunu laika. Un pēc tam tā vietā, lai nakti pievienotu mobilo tālruni vai nomainītu akumulatorus, jūs vienkārši ievietojiet jaunu metanola kasetni.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2001. gada novembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Kurināmā elementi, protams, jau tiek izplatīti tirgū citos veidos — un daudz lielākos izmēros. Pirmo reizi parādās autobusi, kurus darbina ar degvielas elementiem, un nākamie ir automašīnas ( skat Piepildiet ar ūdeņradi , TR 2000. gada novembris/decembris ). Kļūst pieejamas arī kurināmā elementi, kas nodrošina rezerves enerģiju mājām un birojiem ( skat Spēks Tautai , TR 2001. gada maijs ). Uzņēmums Electrolux ir pat izveidojis bezvada degvielas šūnu putekļsūcēja prototipu. Papildus citām priekšrocībām kurināmā elementi izmanto viegli pieejamus enerģijas avotus, proti, ūdeņradi vai metanolu, un ražo tikai ūdeni, oglekļa dioksīdu un siltumu kā atkritumus.

Tagad rūpniecība gatavojas padarīt degvielas šūnas pietiekami mazas plaša patēriņa elektronikai. Praktisku kurināmā elementu izveide šīs mazās ierīces, kas ražo vienu desmito daļu vatu līdz 50 vatiem, rada milzīgas inženierijas un materiālu problēmas, taču tirgus iespējas ir milzīgas. Pārnēsājamām kurināmā elementiem ir reāls potenciāls gūt peļņu īsākā laika posmā nekā stacionārām vai automobiļu degvielas elementu lietojumprogrammām, saka Atakans Ozbeks, tehnoloģiju izpētes uzņēmuma Oyster Bay, NY, Allied Business Intelligence viceprezidents enerģijas izpētes jautājumos. Pēc pieciem gadiem tas varētu būt miljardu dolāru gadā tirgus. Šī nozare sāks darboties.

Nav pārsteidzoši, ka sacīkstes par tehnoloģiju komercializāciju rit pilnā sparā, un tajās piedalās visi, sākot no Motorola un Korejas elektronikas giganta Samsung līdz tādiem jaunizveidotiem uzņēmumiem kā Hockaday’s. Konkurenti liek derības par dažādiem dizainiem un pat nedaudz atšķirīgām ķīmiskajām vielām, taču viņiem ir kopīgs mērķis: izkļūt no 6 miljardu dolāru vērtā uzlādējamo akumulatoru pasaules tirgus.

Pirmais veiksmīgais pielietojums, visticamāk, būs metanola kurināmā elementi, kas saražo aptuveni vienu desmito daļu vatu un var uzlādēt parastos akumulatorus, tādējādi atbrīvojot patērētājus no paneļa šķiltavas vai sienas kontaktligzdas. Nākamās būs degvielas šūnas, kas ir pietiekami mazas, lai faktiski ietilptu esošo tālruņu akumulatoru nodalījumos, un tomēr pietiekami jaudīgas — viens vats mobilajiem tālruņiem un 50 vati klēpjdatoriem, lai tās izmantotu tiešai barošanai.

Pat tālāk pie apvāršņa mikroshēmas tiks tieši darbinātas ar iebūvētām degvielas šūnām. Šīs kurināmā šūnas dos labumu miniaturizācijai, novēršot nepieciešamību pēc atsevišķiem enerģijas avotiem. Tie būs īpaši izstrādāti, lai nodrošinātu precīzas enerģijas vajadzības. Un ražošanas izmaksām vajadzētu samazināties, ja gan mikroshēma, gan strāvas avots tiek izgatavoti kā viena vienība. Savukārt pašpietiekamas mikroshēmas varētu nodrošināt nākamās paaudzes pašpietiekamus sīkrīkus, piemēram, sīkus tīklā savienotus sensorus, kas var darboties attālos apgabalos, atklāt piesārņotājus, biokara toksīnus vai jebko citu, kas ir jāatklāj, un izsūtot datus mēnešiem ilgi.

Kļūst mazs

Problēma ar parastajām baterijām ir tāda, ka tās balstās uz elektroķīmiju, kas datēta ar 18. gadsimta beigām, un tām ir daži nopietni ierobežojumi. Vissvarīgākais ir tas, ka, tiklīdz akumulatorā esošās ķīmiskās vielas ir beigušas reaģēt, akumulators izlādējas. Jums tas ir vai nu jāpievieno lādētājam, kas pievienots sienas kontaktligzdai, vai arī jāizmet — vēlams atkritumu tvertnē toksisko sastāvdaļu, piemēram, kadmija un dzīvsudraba, dēļ. Un baterijas, visticamāk, nekļūs daudz labākas; praktiski visas ķīmiskās kombinācijas ir izmēģinātas, saka Šimšons Gotesfelds, Olbani, Ņujorkā bāzētā Mechanical Technology, uzņēmuma, kas izstrādā mikrokurināmā elementus, galvenais tehnoloģiju speciālists. Viņš saka, ka pat labākajām baterijām ir maz iespēju palielināt jaudu, ko tās spēj saražot pēc svara.

Kurināmā elementi ir sarežģītāki, taču tiem ir būtiskas priekšrocības. Kamēr pastāv ūdeņraža vai metanola padeve, degvielas šūna ražos elektrību. Turklāt, pateicoties to izmantotajai augstas enerģijas degvielai, kurināmā elementi savam svaram saražo vairāk enerģijas nekā akumulatori jebkad.

Bet kurināmā elementi ir grūti konstruējami, un mazākie ir visizturīgākie. Mikrokurināmā elementu dizaina izaicinājumi sākas ar degvielas izvēli. Ūdeņradis ir nepraktisks; tā ir gāze, un tā ir jāsaspiež ļoti augstā spiedienā, un pat tad tai ir vajadzīgas pārāk lielas tvertnes pārnēsājamai elektronikai. Metanola/ūdens maisījumus ir vieglāk uzglabāt nelielā degvielas šūnā, taču to izmantošana rada jaunus inženiertehniskos šķēršļus. Lai pārvaldītu šķidro degvielu, ir nepieciešami sīki sūkņi un caurules. Tad ir notekūdeņi. Pat visdedzīgākie mobilo tālruņu lietotāji nepacietīs barošanas blokus, kas pil uz pleciem, tāpēc kurināmā elementiem ir jāiztvaicē ūdens. Visas kurināmā šūnas rada siltumu; mazās versijas darbojas jebkurā vietā no 15 ° C līdz applaucēšanās temperatūrai 60 ° C. Lai gan tas nodrošina notekūdeņu iztvaicēšanas līdzekli, ir nepieciešams arī pareizs izolācijas un ventilācijas līdzsvars.

To visu sabāzt elegantā iepakojumā, kura izmērs ir pāris AA šūnu, ir īsts izaicinājums. Un, ņemot vērā sīvo konkurenci par mikrokurināmā elementu komercializāciju, vairums korporatīvo spēlētāju ir šaubīgi par to, kā viņi ir sākuši risināt šīs problēmas. Uzņēmumiem ir daudz postu, taču tas ir tas, ko jūs varētu sagaidīt agrīnā stadijā, kad tie cenšas saglabāt savas pozīcijas, saka degvielas šūnu vērotājs Kriss Daiers, žurnāla Journal of Power Sources redaktors. Bet viņš piebilst: tie nav dūmi un spoguļi. Tā ir īsta tehnoloģija, un, lai tā darbotos, ir nepieciešama gudra inženierija.

Lielākā daļa novērotāju prognozē, ka pirmā mikro degvielas šūna veikalu plauktos būs uzlādes ierīce, kurā izmantos metanolu. Pusducis uzņēmumu strādā pie variācijām par šo tēmu, tostarp Manhattan Scientifics. Hockaday dizainā degvielas elementu sastāvdaļas nav sakārtotas kaudzē, piemēram, tradicionālie automobiļu degvielas elementi. Drīzāk tie ir izvietoti blakus, piemēram, mikroprocesora komponenti, padarot tos piemērotus pusvadītāju ražošanas metodēm.

Mechanical Technology jau ir līdzdibinājusi uzņēmumu, kas pārdod ledusskapja izmēra komerciālas un dzīvojamās kurināmā elementu elektrostacijas. Tagad Mechanical Technology pievērš uzmanību mazākām lietām, sākot ar uzlādes ierīcēm. Mēs esam ļoti optimistiski noskaņoti par izredzēm to komercializēt, saka Mechanical Technology Gottesfeld, bijušais Los Alamos laboratorijas kurināmā elementu pētniecības programmas direktors. Mēs meklējam ne tikai lādētājus, bet arī pilnīgu mobilo tālruņu sistēmu. Mēs izskatām arī citas iespējas, piemēram, klēpjdatorus, rotaļlietu tirgu un elektroinstrumentus.

Motorola un Korejas Samsung arī aktīvi izstrādā prototipus. Hyuk Chang, galvenais pētnieks Samsung Advanced Institute of Technology ārpus Seulas, saka, ka uzņēmuma mērķis ir gada laikā demonstrēt strādājošus modeļus, atkal izmantojot uzlādes ierīces. Es domāju, ka būs nepieciešami vēl divi gadi, lai laboratorija nonāktu klientu rokās, saka Čans. Grūts jautājums ir par to, kas būs pirmais pieteikums.

Motorola degvielas elementu projekta vadītājs Džerijs Holmarks īsteno stratēģiju, kas sola mazākas degvielas kasetnes. Viņš saka, ka uzņēmums ir izstrādājis nelielas šķidruma sistēmas, kas nepārtraukti pārstrādātu ūdeni metanola-ūdens degvielas maisījumā. Rezerves kasetnēs var būt tikai neatšķaidīts metanols. Degvielas šūna nevar darboties ar koncentrētu metanolu; tam nepieciešams atšķaidīts šķīdums. Bet jūs nevēlaties nēsāt atšķaidītu degvielu, viņš saka. Hallmark piebilst, ka, iespējams, paies trīs līdz pieci gadi, līdz jebkurš uzņēmums, tostarp Motorola, sāks pārdot produktu.

Punča iepakošana

Tomēr tas, ko Motorola un citi uzņēmumi visvairāk vēlas, ir akumulatoriem līdzīgas degvielas šūnas, kas tiek piestiprinātas tieši tālruņiem un citai elektronikai, lai tos tieši darbinātu. Mobilais tālrunis ir viens no grūtākajiem, jo ​​cilvēki vēlētos nomainīt akumulatoru pret tāda paša izmēra degvielas elementu. Es labprāt to viņiem dotu, bet mēs esam tālu no kaut kā tāda, saka Hallmark.

Lai īstenotu šo vīziju, uzņēmumi īsteno dažādas stratēģijas. Ņujorkā bāzētais uzņēmums Medis Technologies uzskata, ka ar vienu degvielas kasetni var izveidot degvielas elementu, kas varētu aizstāt mobilā tālruņa akumulatoru, nodrošinot 20 stundas mobilā tālruņa sarunu laika un simtiem stundu gaidīšanas režīmā. Roberts K. Liftons, Medis izpilddirektors, saka, ka uzņēmums izmanto patentētu šķidru elektrolītu, kas var darboties ar augstāku degvielas koncentrāciju un attiecīgi nodrošināt lielāku jaudu nekā parastās alternatīvas. Bet Medis precīzi nesaka, kā tas darbojas. Mums ir iesniegti aptuveni 17 patenti, un mēs gaidām, kad tie tiks saņemti, pirms apspriežam detaļas, saka Liftons. Tomēr biznesa stratēģija nevarēja būt vienkāršāka: tā ir žilete. Atmaksa mums būtu uzpilde, aptuveni 1 USD par uzpildīšanu, skaidro Liftons. Viņš saka, ka Medis prototips būs līdz šī gada beigām.

Cita stratēģija ietver metanola kā degvielu un pēc tam, kad nepieciešams, pārveidošanu par ūdeņradi. Tā kā ūdeņradis pēc svara satur vairāk jaudas nekā metanols, shēma varētu radīt jaudīgākas un efektīvākas degvielas šūnas. Roberts Savinels, Case Western Reserve universitātes ķīmijas inženierijas profesors, mēģina izveidot tieši tik mazu degvielas šūnu; līdz šim viņa grupa ir uzbūvējusi 25 kvadrātcentimetru prototipu.

Metanola ķīmiskā pārvēršana par ūdeņradi, ko inženieri bieži sauc par reformēšanu, tehnoloģiski ir pietiekami vienkārša, izņemot gadījumus, kad mēģināt to izdarīt ar sīktēla izmēra ierīci. Cilvēki ir būvējuši reformatorus lielā mērogā kilovatu lietojumiem, tāpēc jautājums nav par to, vai tas darbojas. Jautājums ir par to, vai varat to padarīt pietiekami mazu, lai ietilptu mobilajā tālrunī vai klēpjdatorā, saka Motorola's Hallmark.

Mikroshēmas jauda

Pēc dienas, kad elektronikā akumulatoru vietā ir iebūvēti kurināmā elementi, parādās vēl viena tehnoloģiju robeža: kurināmā elementu veidošana tieši uz mikroshēmām. Jau tagad Savinell grupa Case Western ir izveidojusi prototipu tikai 1,5 centimetrus reiz divus centimetrus. Viņa grupa izmantoja mikrofabrikas metodes, lai drukātu piecus līdz sešus kurināmā elementu komponentu slāņus - membrānu, elektrodu un katalizatoru uz keramikas un silīcija plāksnēm un nesen uz elastīga polimēra materiāla. Šajā mērogā viņš izmanto ūdeņradi kā degvielu, uzglabā kā nātrija borhidrīdu un atbrīvo ar platīna katalizatoru. Cerība ir nodrošināt strāvas padevi mikroshēmai ar sensoru un raidītāju — tā ir pilnīgi pašpietiekama ierīce, saka Savinels.

Pētnieki Džordžijas Tehnoloģiju institūtā, MIT, Stenfordas universitātē un Sandijas Nacionālajā laboratorijā Livermorā, Kalifornijā, arī strādā pie mikroshēmu mēroga kurināmā elementu izveides. Lai šīs ierīces darbotos ar viegli uzglabājamu metanolu, Džordžijas Tehnikas ķīmijas inženierijas profesors Pols A. Kols uz silīcija izgatavo sīkus kanālus, caur kuriem var izplūst metanols un ūdens. Šos kanālus varētu izveidot uz parastās silīcija mikroshēmas montāžas līnijas. Jūs varētu izstrādāt kurināmā elementu tā, lai tas nodrošinātu tieši vajadzīgo jaudu un būtu vēlamā izmēra, saka Kols.

Papildus kurināmā elementu samazināšanai līdz skaidu skalai, vēl viens ilgtermiņa mērķis ir ļaut degvielas šūnām tieši izmantot ūdeņraža jaudu, bet izvairīties no augstspiediena tvertnēm. Viena ambicioza pieeja varētu izmantot oglekļa nanocaurules: caurulēm līdzīgas oglekļa molekulas, kurām ir spēja uzglabāt un atbrīvot ūdeņradi. Pētnieki iztēlojas, ka nano kannas ir pilnas ar ūdeņradi, kas varētu uzturēt kurināmā elementu dūkošanu, taču tas prasīs sasniegumus materiālos un ražošanas metodēs, saka Maikls Hebens, nanostrukturētu materiālu grupas vadītājs ASV Enerģētikas departamenta Nacionālajā atjaunojamās enerģijas laboratorijā Golden, CO. Viņš saka, ka var būt, ka kāds pieliks savu pirkstu nākamajā nedēļā, vai tas var aizņemt 20 gadus.

Līdz šim ticamākos un reproducējamākos rezultātus, saka Mičiganas štata universitātes fizikas profesors Deivids Tomaneks, sasniedza MIT fiziķis Mildreds Dresselhauss un kolēģi no Ķīnas Zinātņu akadēmijas, kuri ziņoja, ka ir atraduši veidu, kā oglekļa nanocaurules uzglabāt. 4,2 procenti no to svara ūdeņradi. Ar to var pietikt mikro kurināmā elementiem, saka Tomaneks. Tas būs vieglāks, mazāks un drošāks par tanku pat ar četriem procentiem, un to varētu izdarīt pāris gadu laikā. Bet es esmu optimists, viņš saka. Pati Dresselhausa ir vairāk apsargāta: šobrīd mums nav burvju nūjiņas. Mums ir atvērums, kurā teikts: Tas ir kaut kas, ko meklēt.” Nākamais solis joprojām nav veikts. Viņa piebilst, ka nākamais solis varētu būt šīs desmitgades laikā, taču mums ir jāpanāk liels sasniegums.

Arī citi elektronikas giganti eksperimentē ar oglekļa molekulām, lai uzlabotu degvielas mikroelementus. NEC ir ziņojis, ka izmanto ragveida molekulas, kas pazīstamas kā oglekļa nanohorns, kā platīna katalizatoru substrātu, nodrošinot lielāku virsmas laukumu spēcīgākām ķīmiskām reakcijām un lielāku jaudu. Un Sony saka, ka tā izmanto futbola bumbiņas formas oglekļa molekulas, kas pazīstamas kā fullerēni — oglekļa nanocauruļu bāzes sastāvdaļas, lai izveidotu labākus elektrolītus.

Tikmēr pirmās mikro degvielas šūnas strauji tuvojas tirgum. Protams, prototipi ir nepārtraukti jāpielāgo, lai pārliecinātos, ka degviela nevar noplūst un palielinātu to efektivitāti. Taču šie šķēršļi ir salīdzinoši nelieli, saka nozares vērotāji. Galu galā arī akumulatoriem bija sava daļa attīstības problēmu. Pirmās augstas enerģijas litija baterijas mēdza aizdegties un pat eksplodēt. Kā zina ikviens mobilā tālruņa īpašnieks, šīs problēmas tika atrisinātas.

Ir daudz iemeslu — aptuveni 6 miljardu dolāru vērtībā –, lai domātu, ka tas pats notiks ar mikrokurināmā elementiem, ieliekot šos ievērojamos mazos barošanas blokus miljoniem patērētāju kabatās. Patiešām, kad mikro kurināmā elementi parādās no pārblīvētām laboratorijām, piemēram, Manhattan Scientifics Los Alamos priekšposteņa, tās var ievietot akumulatorus, kuru jauda ir ierobežota un smago metālu atkritumu iznīcināšanas problēmas, tehnoloģiju atkritumu tvertnē.

paslēpties