Ogniwa paliwowe zasilane wodą morską: Nowa era robotyki podwodnej
Helmholtz-Zentrum HereonNaukowcy z Helmholtz-Zentrum Hereon opracowali sztuczne skrzela, które potrafią pozyskiwać tlen z wody morskiej w celu zasilania ogniw paliwowych, wykorzystywanych do napędzania robotycznych szybowców morskich podczas długich misji badawczych.
Podwodne szybowce stają się coraz bardziej cenionym narzędziem w badaniach oceanograficznych. Zamiast tradycyjnych śrub napędowych i silników, poruszają się dzięki zmiennej wyporności. W praktyce oznacza to, że unoszą się ku powierzchni, a następnie opadają, kierując się przy użyciu hydropłatów.
Choć ten sposób napędu nie zapewnia dużych prędkości, jest bardzo efektywny energetycznie. Pozwala szybowcom pokonywać tysiące kilometrów w celach monitorowania warunków oceanicznych, wykrywania zanieczyszczeń czy prowadzenia zwiadu wojskowego. Urządzenia te mogą nurkować na głębokości do 1000 m i są znacznie tańsze w eksploatacji niż tradycyjne statki badawcze. Gdzie więc tkwi problem?
Największym wyzwaniem jest ich zasilanie. Baterie są niezbędne do obsługi czujników, rejestratorów i systemów telemetrii. Jednak popularne baterie litowe podlegają surowym regulacjom bezpieczeństwa i ochrony środowiska, ponieważ są uznawane za materiały niebezpieczne. Mają także swoje ograniczenia techniczne: są wrażliwe na wysokie ciśnienie, mogą przeciekać w przypadku uszkodzenia uszczelek, są podatne na uszkodzenia w kontakcie z wodą morską, źle znoszą niskie temperatury oraz mogą uwalniać toksyczne substancje.
Alternatywą, nad którą pracują inżynierowie z Hereon, dr Lucas Merckelbach i dr Prokopios Georgopanos, są ogniwa paliwowe, które przekształcają wodór i tlen w energię elektryczną. Przechowywanie wodoru nie stanowi problemu – można go magazynować w zbiornikach z metalicznymi wodorkami, które go pochłaniają i uwalniają w razie potrzeby. Kłopotliwy jest jednak tlen. W wodzie jego masa w przeliczeniu na jednostkę objętości jest ośmiokrotnie większa niż wodoru, a jego przechowywanie, nawet w warunkach kriogenicznych, jest bardzo trudne.
Rozwiązaniem Hereon jest całkowite wyeliminowanie potrzeby magazynowania tlenu. Naukowcy opracowali zaawansowaną membranę z polimeru silikonowego, która ma wysoką przepuszczalność tlenu, ale jednocześnie jest hydrofobowa, co uniemożliwia przedostawanie się wody. W praktyce oznacza to, że w wodzie morskiej, gdzie stężenie tlenu jest wyższe po zewnętrznej stronie membrany, cząsteczki tlenu przenikają przez nią do wnętrza systemu. Tam są zbierane przez wewnętrzny strumień powietrza i transportowane do ogniwa paliwowego z membraną wymiany protonów (PEMFC), gdzie łączą się z wodorem, wytwarzając energię elektryczną. Jedynym produkt ubocznym tego procesu jest woda.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Według zespołu badawczego system modułowy może dostosowywać się do różnych warunków podwodnych, takich jak zmiany temperatury, zasolenia i ciśnienia, zapewniając stabilne dostawy tlenu. Dodatkowo symulacje komputerowe dynamiki płynów (CFD) pozwoliły zoptymalizować przepływ wody wokół membrany.
System zawiera również układ zarządzania termicznego do odprowadzania ciepła generowanego przez ogniwo paliwowe oraz, paradoksalnie, baterię litową do magazynowania energii w okresach szczytowego zapotrzebowania. Testy laboratoryjne wykazały sprawność konwersji na poziomie 50%, co jest porównywalne z obecnymi systemami magazynowania tlenu stosowanymi w urządzeniach podwodnych.
– Ten system eliminuje konieczność przechowywania tlenu na pokładzie – powiedział dr Georgopanos. – Zaoszczędzona masa i objętość mogą zostać wykorzystane do dodatkowego magazynowania wodoru, co pozwala na zwiększenie gęstości energii i obniżenie kosztów operacyjnych w porównaniu z obecnymi rozwiązaniami bateryjnymi.
Źródło: Helmholtz-Zentrum Hereon
