ΕΠΑΝΑΣΤΑΤΙΚΟ ΝΗΜΑ ΑΓΩΓΙΜΟΥ ΑΛΑΤΥΝΟΥ ΜΠΑΤΑΡΙΑ ΙΣΧΥΟΣ ΝΑΥΤΙΛΙΑΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ
Γράφει ο Γεώργιος Δικαίος - 4 Φεβρουαρίου 2025
Σε μια πρωτοποριακή εξέλιξη, οι ερευνητές σχεδίασαν ένα πρωτότυπο επαναφορτιζόμενη μπαταρία που λειτουργεί σε περιβάλλοντα θαλασσινού νερού, προσφέροντας μια πολλά υποσχόμενη νέα πηγή ενέργειας για ωκεανικές και θαλάσσιες εφαρμογές. Αυτή η καινοτόμος μπαταρία νήματος αγώγιμου θαλασσινού νερού δεν είναι μόνο εύκαμπτη και ανθεκτική, αλλά μπορεί επίσης να ενσωματωθεί σε υφάσματα ή δίχτυα, παρέχοντας ισχύ σε θαλάσσιες συσκευές όπως εξοπλισμός ασφαλείας, δίχτυα ψαρέματος και σωσίβια.
Οι παραδοσιακές μπαταρίες είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες στο νερό, ειδικά στο αλμυρό, λόγω της πιθανότητας βλάβης και δυσλειτουργίας. Ωστόσο, αυτός ο νέος σχεδιασμός χρησιμοποιεί έξυπνα το θαλασσινό νερό ως ηλεκτρολύτη, μετατρέποντας τα φυσικά ιόντα νατρίου, χλωρίου και θειικών του σε λειτουργική πηγή ενέργειας. Αυτή η προσέγγιση μετατρέπει το θαλασσινό νερό, συνήθως απειλή για τα συμβατικά ηλεκτρονικά, σε βασικό συστατικό για την παραγωγή ενέργειας.
Αυτή η εξέλιξη βασίζεται σε προηγούμενες εργασίες των ερευνητών Yan Qiao, Zhisong Lu και της ομάδας τους, οι οποίοι πρωτοστάτησαν στην ιδέα της χρήσης του ιδρώτα του σώματος ως ηλεκτρολύτη σε οθόνες φυσικής κατάστασης. Βασιζόμενοι σε αυτή την επιτυχία, έστρεψαν την εστίασή τους στο αλμυρό νερό, αντικαθιστώντας τους παραδοσιακούς ηλεκτρολύτες με θαλασσινό νερό σε ένα ευέλικτο σχέδιο μπαταρίας που μοιάζει με νήμα. Χρησιμοποιώντας δέσμες από ανθρακονήματα επικαλυμμένα με αγώγιμα υλικά, δημιούργησαν ένα σύστημα όπου το θετικό ηλεκτρόδιο (κάθοδος) είναι κατασκευασμένο από εξακυανοφερρικό νικέλιο, ενώ το αρνητικό ηλεκτρόδιο (άνοδος) αποτελείται από πολυαμίδιο. Αυτά τα ηλεκτρόδια συστράφηκαν σε δέσμες που μοιάζουν με νήματα που επιτρέπουν στην μπαταρία να λειτουργεί ακόμη και σε δύσκολα, βυθισμένα περιβάλλοντα.
Ένα από τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα αυτής της νέας μπαταρίας είναι η ευελιξία της. Τα ηλεκτρόδια σφραγίζονται μέσα σε ένα διαπερατό μη υφασμένο ύφασμα, το οποίο προστατεύει τα εσωτερικά εξαρτήματα ενώ επιτρέπει στο θαλασσινό νερό να αλληλεπιδρά με τα ηλεκτρόδια. Αυτός ο σχεδιασμός διασφαλίζει ότι η μπαταρία παραμένει λειτουργική ακόμη και όταν λυγίσει ή στρίψει εκατομμύρια φορές—ένα βασικό χαρακτηριστικό για συσκευές που πρέπει να αντέχουν στις σκληρές συνθήκες του ωκεανού.
Οι ερευνητές δοκίμασαν την ανθεκτικότητα της μπαταρίας σε εργαστηριακές ρυθμίσεις και τα αποτελέσματα ήταν ενθαρρυντικά. Η μπαταρία διατήρησε τη φόρτισή της ακόμη και αφού λύγισε 4.000 φορές και διατήρησε μεγάλο μέρος της ισχύος της μετά από 200 κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης στο θαλασσινό νερό. Αυτά τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι η μπαταρία θα μπορούσε να είναι μια ιδανική λύση για θαλάσσια περιβάλλοντα, όπου η ανθεκτικότητα και η αξιοπιστία είναι ζωτικής σημασίας.
Για να δείξουν τις δυνατότητες της μπαταρίας, οι ερευνητές ενσωμάτωσαν τη μπαταρία με βάση το νήμα σε ένα δίχτυ ψαρέματος και ένα ορθογώνιο κομμάτι ύφασμα. Όταν το δίχτυ ψαρέματος φορτίστηκε και βυθίστηκε στο θαλασσινό νερό, τροφοδότησε με επιτυχία ένα πάνελ φωτός 10 LED. Ομοίως, το ύφασμα, όταν τοποθετηθεί σε διάλυμα θειικού νατρίου, τροφοδοτούσε έναν χρονοδιακόπτη για πάνω από μία ώρα. Αυτές οι επιδείξεις ανοίγουν συναρπαστικές δυνατότητες για το σχεδιασμό θαλάσσιων συσκευών—όπως δίχτυα ψαρέματος με ενσωματωμένα φώτα LED ή σωσίβιο εξοπλισμό—που μπορούν να λειτουργούν αυτόνομα στο θαλασσινό νερό.
Αυτή η μπαταρία που μοιάζει με νήμα προσφέρει ένα μοναδικό μείγμα βιωσιμότητας και ευελιξίας, καθιστώντας δυνατή την τροφοδοσία συσκευών ακόμα και όταν είναι βυθισμένες στον ωκεανό. Η ευελιξία, η ελαφρότητα και η στιβαρότητα της μπαταρίας την καθιστούν ιδανικό υποψήφιο για την τροφοδοσία όλων, από εξοπλισμό ασφαλείας μέχρι συστήματα θαλάσσιας παρατήρησης.
Καθώς αυτή η τεχνολογία ωριμάζει, έχει τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση στη χρήση ενέργειας στις θαλάσσιες βιομηχανίες. Η ικανότητα δημιουργίας ελαφριών, ευέλικτων και αδιάβροχων πηγών ενέργειας θα μπορούσε να μεταμορφώσει τον τρόπο με τον οποίο τροφοδοτούμε συσκευές σε θαλάσσια περιβάλλοντα, από αλιευτικά μέχρι συστήματα απομακρυσμένης παρακολούθησης ωκεανών.
Αξιοποιώντας τους φυσικούς πόρους του θαλασσινού νερού και συνδυάζοντάς τους με τεχνολογία αιχμής μπαταριών, οι ερευνητές ανοίγουν το δρόμο για μια πιο βιώσιμη, αποτελεσματική και προσαρμόσιμη προσέγγιση της θαλάσσιας ενέργειας. Αυτή η μπαταρία νήματος αγώγιμου θαλασσινού νερού θα μπορούσε να γίνει τόσο πανταχού παρούσα και αξιόπιστη όσο οι ίδιοι οι ωκεανοί, παρέχοντας μια ισχυρή ενεργειακή λύση για το μέλλον της θαλάσσιας εξερεύνησης και ασφάλειας.
Το πρωτότυπο μπαταρίας που μοιάζει με νήμα χρησιμοποιεί θαλασσινό νερό για την τροφοδοσία συσκευών από την Αμερικανική Χημική Εταιρεία (ACS) Αφού εμποτίστηκαν σε αλμυρό νερό, αυτά τα επαναφορτιζόμενα σκέλη άναψαν LED (επάνω εικόνα) και τροφοδοτούσαν ένα χρονόμετρο (κάτω εικόνα). Πίστωση: ACS Applied Materials & Interfaces (2024). DOI: 10.1021/acsami.4c16439
Οι περισσότερες μπαταρίες είναι άκαμπτες και ασυμβίβαστες με το νερό. Αλλά οι άνθρωποι εργάζονται και παίζουν σε ωκεανούς και εκβολές ποταμών και θα μπορούσαν να επωφεληθούν από ευέλικτες και ασφαλείς για το αλμυρό νερό πηγές ενέργειας. Τώρα, οι ερευνητές αναφέρουν στο ACS Applied Materials and Interfaces για ένα πρωτότυπο μπαταρίας που μοιάζει με νήμα που λειτουργεί όταν βυθίζεται σε θαλασσινό νερό. Έδεσαν τα επαναφορτιζόμενα σκέλη σε ένα δίχτυ ψαρέματος που άναβε LED και έπλεκαν ένα ύφασμα που τροφοδοτούσε ένα χρονόμετρο. Οι εύκαμπτες μπαταρίες που μοιάζουν με νήματα μπορούν να πλέκονται ή να υφαίνονται σε διάφορα σχήματα. Αυτές οι έντονες πηγές ενέργειας είναι ελαφριές και συχνά έχουν σχεδιαστεί για να είναι αδιάβροχες. Αντί όμως να αποφευχθεί η πλήρης έκθεση της μπαταρίας στο νερό, οι επιστήμονες έχουν προτείνει τη χρήση αλμυρού νερού ως κρίσιμο συστατικό της μπαταρίας: τον ηλεκτρολύτη (ένα υγρό που μεταφέρει ηλεκτρισμό μέσω ιόντων). Ο Yan Qiao, ο Zhisong Lu και οι συνεργάτες του είχαν αναπτύξει στο παρελθόν μια φιλική στο νερό μπαταρία κατασκευασμένη από ανθρακονήματα και βαμβακερά νήματα. Αυτή η προηγούμενη εργασία χρησιμοποιούσε τον ιδρώτα από το σώμα ως ηλεκτρολύτη για τις οθόνες άσκησης. Όπως ο ιδρώτας, το θαλασσινό νερό - το οποίο περιέχει ιόντα νατρίου, χλωρίου και θειικών - μπορεί να χρησιμεύσει ως ηλεκτρολύτης. Έτσι, οι Qiao, Lu και μια νέα ομάδα θέλησαν να αναπτύξουν μια θαλάσσια έκδοση μιας επαναφορτιζόμενης μπαταρίας που μοιάζει με νήμα που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία φώτων σε δίχτυα ψαρέματος, σωσίβια ή πετονιές πρόσδεσης για σημαδούρες. Για τη δημιουργία ηλεκτροδίων για τις μπαταρίες θαλασσινού νερού, η ομάδα επεξεργάστηκε δέσμες ανθρακονημάτων με ηλεκτρικά αγώγιμα επιχρίσματα: εξακυανοφερρικό νικέλιο για το θετικό ηλεκτρόδιο (κάθοδος) και πολυαμίδιο για το αρνητικό ηλεκτρόδιο (άνοδος). Στη συνέχεια, οι ερευνητές έστριψαν δύο δέσμες μεταξύ τους για να σχηματίσουν χορδές καθόδου και ανόδου που μοιάζουν με νήματα. Για να προετοιμάσει μια μπαταρία, η ομάδα τύλιξε τη χορδή καθόδου σε ένα στρώμα από υαλοβάμβακα, την τοποθέτησε κατά μήκος της ανόδου και τύλιξε και τους δύο κλώνους σε ένα μη υφαντό, διαπερατό ύφασμα. Το ύφασμα προστατεύει τα ηλεκτρόδια ενώ επιτρέπει επίσης στο θαλασσινό νερό να έρθει σε επαφή με τα ηλεκτρόδια. Σε δοκιμές που χρησιμοποιούν αλμυρό νερό, η μπαταρία συνέχισε να αποθηκεύει ηλεκτρικό φορτίο αφού λυγίστηκε 4.000 φορές. Στη συνέχεια, όταν αξιολογήθηκε σε θαλασσινό νερό, διατήρησε το μεγαλύτερο μέρος της αρχικής απόδοσης φόρτισης και χωρητικότητας αποθήκευσης σε 200 κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης. Τέλος, ως απόδειξη της ιδέας, η ομάδα ένωσε τα νήματα της μπαταρίας σε ένα δίχτυ ψαρέματος και έπλεξε ένα ορθογώνιο κομμάτι ύφασμα. Το δίχτυ στη συνέχεια εμποτίστηκε σε θαλασσινό νερό για να απορροφήσει τον ηλεκτρολύτη και φορτίστηκε. Η καθαρή μπαταρία άναψε ένα πάνελ 10 LED. Ομοίως, το ύφασμα βυθισμένο σε διάλυμα θειικού νατρίου τροφοδότησε έναν χρονοδιακόπτη για περισσότερο από μία ώρα. Οι ερευνητές λένε ότι η μπαταρία τους που μοιάζει με νήμα έχει δυνατότητες ως πηγή ενέργειας σε θαλάσσιες εφαρμογές.
Αναμένουμε τα σχόλιά σας στο Twitter!