Cuando la electrónica necesita sus propias fuentes de energía, hay dos opciones básicas: baterías y cosechadoras. Las baterías almacenan energía internamente, pero por lo tanto son pesadas y tienen un suministro limitado. Las cosechadoras, como los paneles solares, recolectan energía de sus entornos.en torno a algunas de las desventajas de las baterías, pero introduce otras nuevas, ya que solo pueden funcionar en ciertas condiciones y no pueden convertir esa energía en energía útil muy rápidamente.
Una nueva investigación de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pennsylvania está cerrando la brecha entre estas dos tecnologías fundamentales por primera vez en la forma de un "carroñero de metal y aire" que obtiene lo mejor de ambos mundos.
Este depurador de metal y aire funciona como una batería, ya que proporciona energía al romper y formar repetidamente una serie de enlaces químicos. Pero también funciona como una cosechadora, en el sentido de que la energía en su entorno es suministrada por la energía:enlaces químicos en el metal y el aire que rodean al eliminador de metales y aire.
El resultado es una fuente de energía que tiene 10 veces más densidad de energía que los mejores recolectores de energía y 13 veces más densidad de energía que las baterías de iones de litio.
A largo plazo, este tipo de fuente de energía podría ser la base de un nuevo paradigma en robótica, donde las máquinas se mantienen alimentadas buscando y "comiendo" metal, rompiendo sus enlaces químicos para obtener energía como lo hacen los humanos con los alimentos.
En el corto plazo, esta tecnología ya está impulsando a un par de empresas derivadas. Los ganadores de la competencia anual del Premio Y de Penn están planeando utilizar carroñeros de metal y aire para alimentar luces de bajo costo para hogares fuera de la red en elDesarrollo mundial y sensores de larga duración para el envío de contenedores que podrían alertar sobre robos, daños o incluso tráfico de personas.
Los investigadores, James Pikul, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada, junto con Min Wang y Unnati Joshi, miembros de su laboratorio, publicaron un estudio que demuestra las capacidades de su carroñero en la revista Letras de energía de ACS .
La motivación para desarrollar su carroñero de metal-aire, o MAS, surgió del hecho de que las tecnologías que componen los cerebros de los robots y las tecnologías que los impulsan son fundamentalmente incompatibles cuando se trata de miniaturización.
A medida que se reduce el tamaño de los transistores individuales, los chips proporcionan más potencia de cómputo en paquetes más pequeños y livianos. Pero las baterías no se benefician de la misma manera cuando se hacen más pequeñas; la densidad de los enlaces químicos en un material es fija, por lo que las baterías más pequeñas necesariamente significanmenos enlaces para romper
"Esta relación invertida entre el rendimiento informático y el almacenamiento de energía hace que sea muy difícil para los dispositivos y robots a pequeña escala operar durante largos períodos de tiempo", dice Pikul. "Hay robots del tamaño de insectos, pero solo pueden operar porun minuto antes de que su batería se quede sin energía "
Peor aún, agregar una batería más grande no permitirá que un robot dure más tiempo; la masa agregada requiere más energía para moverse, negando la energía extra que proporciona la batería más grande. La única forma de romper esta relación invertida frustrante es forrajearpara enlaces químicos, en lugar de empacarlos.
"Los cosechadores, como los que recolectan energía solar, térmica o vibratoria, están mejorando", dice Pikul. "A menudo se usan para alimentar sensores y dispositivos electrónicos que están fuera de la red y donde es posible que no haya nadie cerca para intercambiarlos".el problema es que tienen baja densidad de potencia, lo que significa que no pueden extraer energía del entorno tan rápido como una batería puede suministrarla ".
"Nuestro MAS tiene una densidad de potencia que es diez veces mejor que la de los mejores cosechadores, hasta el punto de que podemos competir contra las baterías", dice, "está usando la química de la batería, pero no tiene el peso asociado, porque está tomandoesos químicos del ambiente "
Al igual que una batería tradicional, el MAS de los investigadores comienza con un cátodo que está conectado al dispositivo que está alimentando. Debajo del cátodo hay una losa de hidrogel, una red esponjosa de cadenas de polímeros que conduce electrones entre la superficie metálica y el cátodo a través delmoléculas de agua que transporta. Con el hidrogel actuando como un electrolito, cualquier superficie metálica que toque funciona como el ánodo de una batería, permitiendo que los electrones fluyan hacia el cátodo y alimenten el dispositivo conectado.
Para los fines de su estudio, los investigadores conectaron un pequeño vehículo motorizado al MAS. Arrastrando el hidrogel detrás de él, el vehículo MAS oxidó las superficies metálicas sobre las que viajó, dejando una capa microscópica de óxido a su paso.
Para demostrar la eficacia de este enfoque, los investigadores hicieron que su vehículo MAS condujera en círculos sobre una superficie de aluminio. El vehículo estaba equipado con un pequeño depósito que continuamente absorbía agua en el hidrogel para evitar que se secara.
"La densidad de energía es la relación entre la energía disponible y el peso que se debe transportar", dice Pikul. "Incluso teniendo en cuenta el peso del agua extra, el MAS tenía 13 veces la densidad de energía de una batería de iones de litio porqueel vehículo solo tiene que transportar el hidrogel y el cátodo, y no el metal o el oxígeno que proporcionan la energía ".
Los investigadores también probaron los vehículos MAS en zinc y acero inoxidable. Diferentes metales le dan al MAS diferentes densidades de energía, dependiendo de su potencial de oxidación.
Esta reacción de oxidación se produce solo dentro de los 100 micrones de la superficie, por lo que si bien el MAS puede usar todos los enlaces fácilmente disponibles con disparos repetidos, hay poco riesgo de que cause un daño estructural significativo al metal que está eliminando.
Con tantos usos posibles, el sistema MAS de los investigadores fue un ajuste natural para el Premio Y anual de Penn, una competencia de plan de negocios que desafía a los equipos a construir compañías alrededor de tecnologías nacientes desarrolladas en Penn Engineering. El equipo de primer lugar de este año, MetalLight, ganó $ 10,000 por su propuesta de usar tecnología MAS en iluminación de bajo costo para hogares fuera de la red en el mundo en desarrollo. M-Squared, que ganó $ 4,000 en segundo lugar, tiene la intención de usar sensores alimentados por MAS en contenedores de envío.
"En el corto plazo, vemos que nuestro MAS impulsa las tecnologías de Internet de las cosas, como lo que proponen Metal Light y M-Squared", dice Pikul. "Pero lo que realmente nos atrajo y la motivación detrás de este trabajo,es cómo cambia la forma en que pensamos sobre el diseño de robots "
Gran parte de la otra investigación de Pikul implica mejorar la tecnología tomando señales del mundo natural. Por ejemplo, la "madera metálica" de alta densidad y baja densidad de su laboratorio se inspiró en la estructura celular de los árboles y su trabajo en un pez león robóticoimplicó darle un sistema circulatorio de batería líquida que también accionó neumáticamente sus aletas.
Los investigadores ven su MAS como un concepto biológico aún más fundamental: los alimentos.
"A medida que obtenemos robots que son más inteligentes y más capaces, ya no tenemos que limitarnos a enchufarlos a una pared. Ahora pueden encontrar fuentes de energía para ellos mismos, al igual que los humanos", dice Pikul. "Un día, un robot que necesita recargar sus baterías solo necesitará encontrar algo de aluminio para 'comer' con un MAS, lo que le daría suficiente potencia para que funcione hasta su próxima comida ".
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Naval, subvención N00014-19-1-2353. Se llevó a cabo en parte en el Centro Singh de Nanotecnología, que cuenta con el apoyo del Programa Nacional de Infraestructura Coordinada de Nanotecnología de NSF bajo subvención NNCI-1542153.
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Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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