Elektroniklerin kendi güç kaynaklarına ihtiyacı olduğunda, iki temel seçenek vardır: piller ve biçerdöverler. Piller enerjiyi dahili olarak depolar. Ancak bu nedenle ağırdır ve sınırlı bir kaynağa sahiptir. Güneş panelleri gibi biçerdöverler ortamlarından enerji toplar.
Bu, pillerin bazı dezavantajlarını aşar. Ancak yalnızca belirli koşullarda çalışabilmeleri ve bu enerjiyi çok hızlı bir şekilde yararlı güce dönüştürememeleri nedeniyle yenilerini gerektirir.
Pennsylvania Üniversitesi Mühendislik ve Uygulamalı Bilimleri Fakültesi’nden yeni araştırmalar, bu iki temel teknoloji arasındaki boşluğu ilk kez her iki dünyanın da en iyisini elde eden bir “metal-hava temizleyici” şeklinde birleştiriyor.
Bu metal-hava temizleyici, bir dizi kimyasal bağı (özellikle metal ve havadaki çöpçüleri çevreleyen havadaki kimyasal bağlar) tekrar tekrar kırıp oluşturarak güç sağladığı için bir batarya gibi çalışıyor. Ama aynı zamanda bir biçerdöver gibi de çalışıyor, çünkü bu güç çevredeki enerjiyle sağlanıyor.
Sonuç, en iyi enerji toplama makinelerinden 10 kat daha fazla güç yoğunluğuna ve lityum iyon akülerden 13 kat daha fazla enerji yoğunluğuna sahip bir güç kaynağıdır.
Uzun Vadede Enerji Kaynağı
Uzun vadede, bu tür enerji kaynağı, robotların yeni bir paradigmanın temeli olabilir; burada makineler, metal arayıp “yiyerek”, insanların yiyeceklerle yaptığı enerji için kimyasal bağlarını parçalayarak kendilerini güçlendirir.
Yakın vadede, bu teknoloji zaten bir çift şirkete güç veriyor olacak. Penn’in yıllık Y-Ödül Yarışması’nın kazananları, gelişmekte olan dünyadaki şebekesiz evler için düşük maliyetli ışıkları ve hırsızlık, hasara karşı nakliye konteynırları için uzun ömürlü sensörler için metal hava temizleyicileri kullanmayı planlıyorlar.
Araştırmacılar, Makine Mühendisliği ve Uygulamalı Mekanik Bölümü’nde yardımcı doçent olan James Pikul, laboratuvarının üyeleri MinWang ve UnnatiJoshi ile birlikte, skavenjırın (çöpçü) ACS Enerji Mektupları dergisindeki yeteneklerini gösteren bir çalışma yayınladılar.
Metal-hava temizleyicilerini veya MAS’ı geliştirme motivasyonu, robotların beyinlerini oluşturan teknolojilerin ve onları güçlendiren teknolojilerin minyatürleştirme söz konusu olduğunda temelde uyuşmamasından kaynaklanmaktadır.
Ayrı transistörlerin boyutu küçüldükçe, yongalar daha küçük ve daha hafif paketlerde daha fazla bilgi işlem gücü sağlar. Ancak piller küçüldüklerinde aynı şekilde fayda sağlamaz; bir malzemedeki kimyasal bağların yoğunluğu sabittir, bu nedenle daha küçük piller mutlaka kırılması gereken daha az bağ anlamına gelir.
“Bilgisayar performansı ve enerji depolama arasındaki bu ters ilişki, küçük ölçekli cihazların ve robotların uzun süre çalışmasını çok zorlaştırıyor.”
“Böcek büyüklüğünde robotlar var, ancak pilleri bitmeden sadece bir dakika çalışabiliyorlar.” Pikul
Daha da kötüsü, daha büyük bir pil eklemek bir robotun daha uzun süre dayanmasına izin vermez; eklenen kütlenin hareket etmesi daha fazla enerji alır ve daha büyük pilin sağladığı ekstra enerjiyi ortadan kaldırır. Bu sinir bozucu ters ilişkiyi kırmanın tek yolu, kimyasal bağlar için onları paketlemek yerine yemlemektir.
Hidrojel levha
Pikul, “Biçerdöverler, güneş, termal veya titreşim enerjisi toplayanlar gibi, iyileşiyor” diyor. “Genellikle şebekeden uzak olan ve pilleri değiştirmek için etrafta kimsenin bulunmayacağı sensörleri ve elektroniği çalıştırmak için kullanılırlar. Sorun, düşük güç yoğunluğuna sahip olmalarıdır. Yani bir pilin yapabildiği kadar hızlı enerjiyi ortamdan çıkaramazlar.
“MAS’ımız, akülere karşı rekabet edebileceğimiz noktaya kadar en iyi biçerdöverlerden on kat daha iyi bir güç yoğunluğuna sahip” diyor,
“Pil kimyası kullanıyor, ancak ilişkili ağırlığı yok, çünkü bu kimyasalları alıyor “.
Geleneksel bir pil gibi, araştırmacıların MAS’ı da güç verdiği cihaza bağlanan bir katotla başlıyor. Katodun altında, taşıdığı su molekülleri aracılığıyla metal yüzey ve katot arasında elektron ileten süngerimsi bir polimer zincir ağı olan hidrojel bir levha var. Bir elektrolit görevi gören hidrojel ile dokunduğu herhangi bir metal yüzey, bir pilin anodu olarak işlev görür ve elektronların katoda akmasını ve bağlı cihaza güç vermesini sağlar.
Araştırmacılar, araştırmaları için MAS’a küçük bir motorlu araç bağladılar. Hidrojeli arkasından sürükleyerek, MAS aracı üzerinde gezdiği metalik yüzeyleri oksitledi ve ardından mikroskopik bir pas tabakası bıraktı.
Bu yaklaşımın verimliliğini göstermek için, araştırmacılar MAS araçlarını alüminyum bir yüzey üzerinde daireler halinde sürdüler. Araç, kurumasını önlemek için hidrojel içine sürekli olarak su tutan küçük bir rezervuar ile donatıldı.
MAS araçlarını çinko ve paslanmaz çelik üzerinde de test ettiler
“Enerji yoğunluğu, mevcut enerjinin taşınması gereken ağırlığa oranıdır.”
“İlave suyun ağırlığını hesaba katarak, MAS lityum iyon pilin enerji yoğunluğunun 13 katına sahipti, çünkü araç enerjiyi sağlayan metal veya oksijeni değil, sadece hidrojel ve katodu taşımak zorunda.”
Araştırmacılar ayrıca MAS araçlarını çinko ve paslanmaz çelik üzerinde de test ettiler. Farklı metaller MAS’aoksidasyon potansiyellerine bağlı olarak farklı enerji yoğunlukları verir.
Bu oksidasyon reaksiyonu, yüzeyin sadece 100 mikronu içinde gerçekleşir, bu nedenle MAS, kolayca elde edilebilen tüm bağları tekrarlanan açmalarla kullanabilse de, attığı metale önemli yapısal hasar verme riski çok azdır.
Pek çok olası kullanımla, araştırmacıların MAS sistemi, ekipleri PennEngineering’de geliştirilen yeni teknolojiler etrafında şirket kurmaya zorlayan bir iş planı yarışması olan Penn’in yıllık Y-Ödülü için doğal bir uyumdu. Bu yılın birincisi Metal Light, gelişmekte olan dünyadaki şebekesiz evler için düşük maliyetli aydınlatmada MAS teknolojisini kullanma önerileri için 10.000 dolar kazandı. İkinci sırada 4.000 $ kazanan M-Squared, nakliye konteynırlarında MAS destekli sensörler kullanmayı planlamakta.
Pikul, “Yakın vadede MAS’ımızın Metal Light ve M-Squared’in önerdiği gibi nesnelerin interneti teknolojilerine güç verdiğini görüyoruz”
“Ama bizim için gerçekten zorlayıcı olan şey ve bu çalışmanın arkasındaki motivasyon, robotları tasarlama düşüncemizi nasıl değiştirdiğidir.”
Pikul’un diğer araştırmalarının çoğu, doğal dünyadan ipuçları alarak teknolojiyi geliştirmeyi içeriyor. Örneğin, laboratuarının yüksek mukavemetli, düşük yoğunluklu “metalik odunu”, ağaçların hücresel yapısından ilham aldı ve robotik bir aslan balığı üzerindeki çalışması, yüzgeçlerini de pnömatik olarak harekete geçiren bir sıvı pil dolaşım sistemi sağlamayı içeriyordu.
Araştırmacılar MAS’larını daha temel bir biyolojik kavram olan gıda olarak görüyorlar.
Pikul, “Daha akıllı ve daha yetenekli robotlar elde ettikçe, artık onları bir duvara takmakla sınırlamak zorunda kalmıyoruz. Artık tıpkı insanlar gibi kendileri için enerji kaynakları bulabiliyorlar. “Bir gün, pillerini şarj etmesi gereken bir robotun bir MAS ile ‘yemek’ için bir miktar alüminyum bulması yeterli olacak, bu da bir sonraki yemeğine kadar çalışması için yeterli gücü verecektir.”
