Kuro elementas jūsų telefone

Pramoniniame parke Los Alamose (JAV) netoli nuo atominės bombos gimtinės laboratorijos Robertas Hockaday'us sėdi netvarkingoje savo pradedančiosios įmonės „Manhattan Scientifics“ laboratorijoje ir laiko vizitinės kortelės dydžio skaidraus plastiko lopinėlį. Atidžiau apžiūrėjus matomas į grandinę panašus juodos platinos ir rutenio raštas, atspausdintas abiejose pusėse. Priemonė yra penkių centimetrų x 13 centimetrų elektrinės, kuri gamina elektrą kaip kurą naudodama metanolį, vidinės dalys. Iš pirmo žvilgsnio tai gali atrodyti mažai, bet tai yra vienas iš naujos mažų maitinimo blokų klasės, kuris yra pasirengęs sprogti į rinką, ir kuris gali tiesiog sunaikinti vieną iš labiausiai paplitusių pasaulyje technologijų – akumuliatorių.

Šios miniatiūrinės elektrinės, vadinamos mikro kuro elementais, žada didžiulį galios padidėjimą nešiojamai elektronikai – nuo ​​mobiliųjų telefonų iki nešiojamųjų kompiuterių iki ateities energijos ištroškusių, internetą palaikančių delninių įrenginių kartoms. Šiuolaikinės geriausios ličio jonų mobiliųjų telefonų baterijos suteikia vidutiniškai tik keturias valandas pokalbio; mikro kuro elementai galėtų užtikrinti iki 20 valandų pokalbio laiko. Ir po to, užuot jungę mobilųjį telefoną per naktį ar keitę baterijas, tiesiog spustelėsite naują metanolio kasetę.

Ši istorija buvo mūsų 2001 m. lapkričio mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Kuro elementai, žinoma, jau patenka į rinką kitomis formomis – ir kur kas didesniais dydžiais. Pirmą kartą pasirodo kuro elementais varomi autobusai, o paskui – automobiliai ( matyti Užpildykite vandeniliu , TR 2000 m. lapkričio/gruodžio mėn ). Taip pat tampa prieinami kuro elementai, teikiantys atsarginę energiją namams ir biurams ( matyti Galia žmonėms , TR 2001 m. gegužės mėn ). „Electrolux“ netgi sukūrė belaidžio kuro elementų dulkių siurblio prototipą. Be kitų privalumų, kuro elementai naudoja lengvai prieinamus energijos šaltinius, būtent vandenilį arba metanolį, ir gamina tik vandenį, anglies dioksidą ir šilumą kaip atliekas.

Dabar pramonė ruošiasi padaryti kuro elementus pakankamai mažus plataus vartojimo elektronikai. Praktiškų kuro elementų kūrimas šiuose mažuose įrenginiuose, kurių galia yra nuo dešimtosios iki 50 vatų, yra didžiulis inžinerijos ir medžiagų iššūkis, tačiau rinkos galimybė yra didžiulė. Nešiojamieji kuro elementai turi realų potencialą būti pelningi per trumpesnį laikotarpį nei stacionarūs ar automobilių kuro elementų įrenginiai, sako Atakanas Ozbekas, technologijų tyrimų bendrovės Oyster Bay, NY, viceprezidentas Allied Business Intelligence energetikos tyrimams. Po penkerių metų tai gali būti milijardo dolerių per metus rinka. Ši pramonė spartėsi.

Nenuostabu, kad lenktynės dėl šios technologijos komercializavimo įsibėgėja ir jame dalyvauja visi – nuo ​​„Motorola“ ir Korėjos elektronikos milžinės „Samsung“ iki pradedančiųjų įmonių, tokių kaip „Hockaday's“. Konkurentai lažinasi dėl skirtingų dizainų ir net šiek tiek skirtingų cheminių medžiagų, tačiau juos sieja bendras tikslas: ištrūkti iš 6 milijardų dolerių vertės pasaulinės įkraunamų baterijų rinkos.

Tikėtina, kad pirmasis sėkmingas pritaikymas bus metanolio kuro elementai, kurie sukuria maždaug dešimtadalį vatų ir gali įkrauti įprastas baterijas, taip išlaisvindami vartotojus nuo prietaisų skydelio žiebtuvėlio ar sieninio lizdo. Kitas bus kuro elementai, pakankamai maži, kad tilptų esamų telefonų baterijų skyriuose, tačiau pakankamai galingi – vienas vatas mobiliesiems telefonams ir 50 vatų nešiojamiesiems kompiuteriams – būtų naudojami tiesioginiam maitinimui.

Net toliau horizonte mikroschemos bus tiesiogiai maitinamos iš įmontuotų kuro elementų. Šie kuro elementai suteiks naudos miniatiūrizuoti, nes nebereikės atskirų energijos šaltinių. Jie bus specialiai sukurti, kad atitiktų tikslius energijos poreikius. Ir gamybos sąnaudos turėtų sumažėti, kai tiek lustas, tiek maitinimo šaltinis yra gaminami kaip vienas vienetas. Savarankiškai maitinami lustai, savo ruožtu, galėtų įgalinti ateities kartos savarankiškus prietaisus, tokius kaip maži tinkliniai jutikliai, galintys veikti atokiose vietovėse, aptikti teršalus, biologinio karo toksinus ar bet ką kitą, ką reikia aptikti, ir siųsti duomenis mėnesius.

Mažėja

Įprastų baterijų problema yra ta, kad jos remiasi elektrochemija, kuri datuojama XVIII amžiaus pabaigoje, ir turi tam tikrų rimtų apribojimų. Svarbiausia, kad baigus reaguoti į akumuliatoriaus viduje esančias chemines medžiagas, baterija išsenka. Turite jį prijungti prie įkroviklio, prijungto prie sieninio lizdo, arba išmesti – geriausia į šiukšliadėžę, nes jame yra toksiškų ingredientų, tokių kaip kadmis ir gyvsidabris. Ir baterijos greičiausiai nepagerės; Beveik kiekvienas cheminis derinys buvo išbandytas, sako Shimshonas Gottesfeldas, Olbanyje, Niujorke įsikūrusios „Mechanical Technology“, įmonės, kuriančios mikro kuro elementus, vyriausiasis technologijų pareigūnas. Jis sako, kad net geriausi akumuliatoriai turi mažai galimybių padidinti galią, kurią jie gali pagaminti pagal svorį.

Kuro elementai yra sudėtingesni, tačiau jie turi esminių pranašumų. Kol bus tiekiamas vandenilis arba metanolis, kuro elementas gamins elektros energiją. Be to, dėl naudojamo daug energijos suvartojančio kuro kuro elementai pagamina daugiau energijos pagal savo svorį, nei kada nors pagamins baterijos.

Tačiau kuro elementus sunku sukonstruoti, o mažesni yra patys tvirčiausi. Mikro kuro elementų projektavimo iššūkiai prasideda nuo kuro pasirinkimo. Vandenilis yra nepraktiškas; tai dujos ir turi būti suspaustas esant labai aukštam slėgiui, ir net tada reikia per didelių talpų nešiojamai elektronikai. Metanolio/vandens mišiniai lengviau laikomi mažame kuro elemente, tačiau naudojant juos atsiranda naujų inžinerinių kliūčių. Norint valdyti skystąjį kurą, reikalingi maži siurbliai ir vamzdžiai. Tada yra nuotekos. Net patys aršiausi mobiliųjų telefonų vartotojai nepakęstų ant pečių lašančių maitinimo šaltinių, todėl kuro elementai turi išgarinti vandenį. Visi kuro elementai sukuria šilumą; mažos versijos veikia nuo 15 laipsnių C iki 60 laipsnių C. Nors tai yra priemonė nuotekoms išgarinti, taip pat reikalingas tinkamas izoliacijos ir ventiliacijos balansas.

Visa tai sutalpinti į dailią kelių AA ląstelių dydžio pakuotę yra tikras iššūkis. Atsižvelgiant į aršią konkurenciją dėl mikro kuro elementų komercializavimo, dauguma įmonių žaidėjų neabejoja, kaip jie pradėjo spręsti šias problemas. Tarp įmonių yra daug postringavimų, tačiau to ir galima tikėtis ankstyvosiose stadijose, kai jos bando išlaikyti savo pozicijas, sako kuro elementų stebėtojas Chrisas Dyeris, „Journal of Power Sources“ redaktorius. Tačiau jis priduria: tai ne dūmai ir veidrodžiai. Tai tikra technologija, kuriai norint, kad ji veiktų, reikia tik gudrios inžinerijos.

Dauguma stebėtojų prognozuoja, kad pirmasis mikro kuro elementas parduotuvių lentynose bus įkrovimo įrenginys, kuriame naudojamas metanolis. Pusšimtis kompanijų, įskaitant Manhattan Scientifics, kuria šios temos variantus. Hockaday konstrukcijoje kuro elementų komponentai nėra išdėstyti krūvoje, kaip tradiciniai automobilių kuro elementai. Atvirkščiai, jie yra išdėstyti vienas šalia kito, kaip mikroprocesoriaus komponentai, todėl juos galima pritaikyti puslaidininkių gamybos technologijoms.

„Mechanical Technology“ jau įkūrė bendrovę, prekiaujančią šaldytuvo dydžio komercinėmis ir gyvenamosiomis kuro elementų elektrinėmis. Dabar „Mechanical Technology“ kreipia dėmesį į smulkesnius dalykus, pradedant nuo įkrovimo įrenginių. Mes labai optimistiškai žiūrime į komercializavimo perspektyvas, sako buvęs Los Alamos laboratorijos kuro elementų tyrimų programos direktorius Gottesfeldas iš Mechanical Technology. Mes žiūrime ne tik į įkroviklius, bet ir į visą mobiliųjų telefonų sistemą. Taip pat svarstome kitas galimybes, pvz., nešiojamuosius kompiuterius, žaislų rinką ir elektrinius įrankius.

Motorola ir Korėjos Samsung taip pat aktyviai kuria prototipus. Hyuk Chang, pagrindinis tyrėjas iš Samsung Advanced Institute of Technology už Seulo ribų, sako, kad bendrovės tikslas yra per metus pademonstruoti veikiančius modelius, o įkrovimo įrenginiai vėl pirmauja. Manau, kad prireiks dar dvejų metų, kol laboratorija pateks į klientų rankas, sako Changas. Sunkus klausimas, kokia bus pirmoji programa.

„Motorola“ kuro elementų projekto vadovas Jerry Hallmarkas laikosi strategijos, kuri žada mažesnes kuro kasetes. Jis sako, kad bendrovė sukūrė mažas skysčių sistemas, kurios nuolat perdirbtų vandenį metanolio ir vandens kuro mišinyje. Pakaitinėse kasetėse gali būti tiesiog neskiestas metanolis. Kuro elementas negali veikti naudojant koncentruotą metanolį; jam reikia praskiesto tirpalo. Bet jūs nenorite vežtis praskiesto kuro, sako jis. „Hallmark“ priduria, kad greičiausiai prireiks trejų iki penkerių metų, kol bet kuri įmonė, įskaitant „Motorola“, pradės pardavinėti produktą.

Punšo pakavimas

Vis dėlto „Motorola“ ir kitos bendrovės labiausiai trokšta į baterijas panašių kuro elementų, kurie užsifiksuoja tiesiai ant telefonų ir kitos elektronikos, kad jie būtų tiesiogiai maitinami. Mobilusis telefonas yra vienas iš sunkiausių, nes žmonės norėtų savo bateriją pakeisti tokio pat dydžio kuro elementu. Norėčiau, kad galėčiau tai jiems duoti, bet mums dar toli iki tokio dalyko, sako Hallmarkas.

Siekdamos įgyvendinti šią viziją, įmonės taiko įvairias strategijas. Niujorke įsikūrusi „Medis Technologies“ mano, kad gali sukurti kuro elementą, kuris galėtų pakeisti mobiliojo telefono bateriją, suteikdamas 20 valandų pokalbio mobiliuoju telefonu ir šimtus valandų budėjimo režimu naudojant vieną kuro kasetę. Robertas K. Liftonas, „Medis“ generalinis direktorius, sako, kad bendrovė naudoja patentuotą skystą elektrolitą, kuris gali veikti naudojant didesnę degalų koncentraciją ir suteikti atitinkamai daugiau galios nei įprastinės alternatyvos. Tačiau Medis tiksliai nepasako, kaip tai veikia. Turime apie 17 pateiktų patentų ir laukiame, kol juos gausime, prieš aptardami detales, sako Liftonas. Tačiau verslo strategija negalėjo būti aiškesnė: tai skutimosi peiliukų metodas. Atsipirkimas mums būtų papildymas, maždaug 1 USD už papildymą, aiškina Liftonas. Jis sako, kad „Medis“ prototipą turės iki šių metų pabaigos.

Kita strategija apima metanolio gabenimą kaip kurą ir, kai reikia, pavertimą vandeniliu. Kadangi vandenilis turi daugiau galios pagal svorį nei metanolis, ši schema galėtų pagaminti galingesnius ir efektyvesnius kuro elementus. Robertas Savinellas, Case Western Reserve universiteto chemijos inžinerijos profesorius, bando sukurti būtent tokį mažą kuro elementą; iki šiol jo grupė sukonstravo 25 kvadratinių centimetrų prototipą.

Cheminis metanolio pavertimas vandeniliu, kurį inžinieriai dažnai vadina reformavimu, yra pakankamai paprastas technologiniu požiūriu, išskyrus atvejus, kai tai bandoma padaryti naudojant miniatiūros dydžio įrenginį. Žmonės sukūrė didelio masto reformatorius, skirtus kilovatams, todėl klausimas nėra, ar jie veikia. Kyla klausimas, ar galite padaryti jį pakankamai mažą, kad tilptų į mobilųjį telefoną ar nešiojamąjį kompiuterį, sako Motorola Hallmark.

Chip Power

Po tos dienos, kai elektronikoje vietoj baterijų yra įmontuoti kuro elementai, iškyla kita technologijų riba: kuro elementų kūrimas tiesiai ant lustų. Jau dabar Savinell grupė Case Western sukūrė tik 1,5 cm x du centimetrų prototipą. Jo grupė naudojo mikrogamybos būdus, kad atspausdintų nuo penkių iki šešių sluoksnių kuro elementų komponentų – membranos, elektrodo ir katalizatoriaus ant keraminių ir silicio plokštelių, o pastaruoju metu – ant lanksčios polimerinės medžiagos. Šiuo mastu jis kaip kurą naudoja vandenilį, saugomą kaip natrio borohidridą ir išleidžiamą su platinos katalizatoriumi. Tikimasi aprūpinti lustą su jutikliu ir siųstuvu – visiškai savarankišką įrenginį, sako Savinell.

Tyrėjai iš Džordžijos technologijos instituto, MIT, Stanfordo universiteto ir Sandijos nacionalinės laboratorijos Livermore, Kalifornijoje, taip pat kuria lustų masto kuro elementus. Kad šie įrenginiai veiktų su lengvai laikomu metanoliu, Georgia Tech chemijos inžinerijos profesorius Paul A. Kohl gamina mažyčius kanalus ant silicio, pro kuriuos gali praeiti metanolis ir vanduo. Šie kanalai gali būti sukurti naudojant įprastą silicio lustų surinkimo liniją. Galite sukurti kuro elementą taip, kad jis tiektų tiksliai tokią galią, kokio norite, ir būti tokio dydžio, kokio norite, sako Kohlas.

Be kuro elementų susitraukimo iki lustų skalės, dar vienas ilgalaikis tikslas yra leisti kuro elementams tiesiogiai išnaudoti vandenilio galią, bet vengti aukšto slėgio bakų. Vienas ambicingas metodas būtų panaudoti anglies nanovamzdelius: vamzdžius primenančias anglies molekules, kurios gali kaupti ir išleisti vandenilį. Tyrėjai įsivaizduoja, kad nano kanistrai būtų pilni vandenilio, kuris galėtų išlaikyti kuro elementų dūzgimą, tačiau tam reikės medžiagų ir gamybos metodų perversmo, sako Michaelas Hebenas, nanostruktūrinių medžiagų grupės vadovas JAV Energetikos departamento Nacionalinėje atsinaujinančios energijos laboratorijoje Golden, CO. Gali būti, kad kas nors į tai įdės pirštą kitą savaitę arba tai gali užtrukti 20 metų, sako jis.

Mičigano valstijos universiteto fizikos profesorius Davidas Tomanekas teigia, kad iki šiol patikimiausius ir atkuriamus rezultatus pasiekė MIT fizikas Mildredas Dresselhausas ir kolegos iš Kinijos mokslų akademijos, kurie pranešė radę anglies nanovamzdelių saugojimo būdą. 4,2 procento jų masės vandeniliu. To gali pakakti mikro kuro elementams, sako Tomanekas. Jis bus lengvesnis, mažesnis ir saugesnis už baką, net keturiais procentais, ir tai būtų galima padaryti per porą metų. Bet aš esu optimistas, sako jis. Pati Dresselhaus yra labiau saugoma: šiuo metu mes neturime burtų lazdelės. Turime angą, kurioje sakoma: „Tai yra kažkas, ko reikia ieškoti.“ Dar trūksta kito žingsnio. Ji priduria, kad kitas žingsnis gali būti pasiektas per šį dešimtmetį, tačiau mums reikia didelio proveržio.

Kiti elektronikos gigantai taip pat eksperimentuoja su anglies molekulėmis, kad pagerintų mikro kuro elementus. NEC pranešė, kad kaip platinos katalizatorių substratą naudoja rago formos molekules, žinomas kaip anglies nanohornai, suteikiančias daugiau paviršiaus stipresnėms cheminėms reakcijoms ir daugiau galios. „Sony“ teigia, kad naudoja futbolo kamuolio formos anglies molekules, žinomas kaip fullerenai – pagrindiniai anglies nanovamzdelių komponentai, kad sukurtų geresnius elektrolitus.

Tuo tarpu pirmieji mikro kuro elementai sparčiai artėja prie rinkos. Žinoma, prototipus reikia nuolat tobulinti, kad būtų užtikrinta, jog kuras negali nutekėti, ir padidinti jų efektyvumą. Tačiau šios kliūtys yra palyginti nedidelės, sako pramonės stebėtojai. Galų gale, baterijos taip pat turėjo savo dalį vystymosi problemų. Pirmosios didelės energijos ličio baterijos buvo linkusios užsidegti ir net sprogti. Kaip žino bet kuris mobiliojo telefono savininkas, šios problemos buvo išspręstos.

Yra daugybė priežasčių – apie 6 mlrd. Iš tiesų, kai mikro kuro elementai atsiranda iš netvarkingų laboratorijų, tokių kaip „Manhattan Scientifics“ Los Alamos forpostas, jie gali įdėti baterijas, kurių galia yra ribota ir sunkiųjų metalų atliekų šalinimas, į technologijų šiukšliadėžę.

paslėpti