نیروی بی‌پایان شناور ربات اعماق دریا با استفاده از اکسیژن آب دریا
پژوهشگران گیلی مصنوعی ایجاد کرده‌اند که با استخراج اکسیژن از آب دریا به سلول‌های سوختی، قدرت لازم برای ربات‌های دریایی یا وسایل نقلیه زیرآبی خودکار (AUV) را تأمین می‌کند که بتوانند در ماموریت‌های طولانی فعالیت کنند.
این نوآوری توسط تیمی در هلمهولتز-زنتروم‌هرئون در آلمان و با استفاده از فناوری غشایی انجام شده است که اکسیژن را از آب دریا استخراج می‌کند، همان‌گونه که آبشش‌های ماهی عمل می‌کنند.
یک نمونه اولیه بر اساس مدل ریاضی ساخته و تأیید شده و بدین ترتیب دوقلوی دیجیتال ایجاد شده است. تجزیه و تحلیل‌ها نشان می‌دهد که ممکن است از سیستم‌های قدرت باتری‌محور کنونی عملکرد بهتری داشته باشد. طبق گفته تیم این سامانه که از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌کند از باتری‌های لیتیمی پایدارتر است و دامنه عملکرد گلایدهای دریایی را افزایش می‌دهد.
کاوش بدون باتری
گلایدهای دریایی به مدت چندین هفته به صورت خودکار کار می‌کنند و دما، فشار، شوری، اکسیژن و جریان‌ها را با حسگرهای موجود اندازه‌گیری می‌کنند. توانایی آن‌ها برای فرو رفتن تا ۱۰۰۰ متر به آن‌ها امکان می‌دهد که اندازه‌گیری‌هایی انجام دهند که برای کشتی‌‌های پژوهشی دشوار است. علاوه بر این، مدیریت گلایدها به مراتب ارزان‌تر از کشتی‌‌های پژوهشی است.
با این حال، تیم‌های پژوهشی در استفاده از باتری‌های لیتیمی با مشکلات زیادی مواجه می‌شوند. این باتری‌ها به عنوان مواد خطرناک طبقه‌بندی شده‌اند، که باید تحت استانداردهای ایمنی سخت‌گیرانه حمل شوند و این باعث افزایش هزینه‌های پروژه می‌شود.
اکنون، گروه ایده جایگزینی را مطرح کرده‌اند. آن‌ها پیشنهاد استفاده از سلول سوختی که از هیدروژن و اکسیژن برق تولید می‌کند برای تغذیه گلایدها به‌جای باتری‌ها را داده‌اند. هیدروژن می‌تواند در محل استقرار گلاید اضافه شود، در حالی که ظرف‌های هیدرید فلزی راهی مؤثر و ایمن برای ذخیره مواد هستند.
طبق گفته پژوهشگران، این هیدریدها با تشکیل پیوندی در سطح اتمی با فلز، هیدروژن ذخیره می‌کنند؛ در حالی که اکسیژن مستقیماً از آب دریا گرفته و ذخیره نمی‌شود.
«این سیستم نیاز به ذخیره اکسیژن در بین نمی‌برد. وزن و حجم ذخیره‌شده می‌تواند برای ذخیره بیشتر هیدروژن استفاده شود، و چگالی انرژی بیشتری و هزینه‌های عملیاتی کمتری نسبت به راهکارهای باتری فعلی ایجاد کند،» پروکوپیوس جورگوپانوس از مؤسسه پژوهش‌های غشایی در هلمهولتز-زنتروم هرئون در بیانیه‌ای گفت. «این سامانه به گلایدها اجازه دهد مدت بیشتری کار کنند. همچنین، هیدروژن منبع انرژی پایدارتر از باتری‌هاست.»
قدرت گیل مصنوعی
سامانه با استفاده از یک سلول سوختی غشاء تبادل پروتون (PEM) برق را از ترکیب هیدروژن و اکسیژن تولید می‌کند. هیدروژن به صورت ایمن در آلیاژ هیدرید فلزی کم‌فشار ذخیره می‌شود، در حالی که اکسیژن از طریق غشایی ویژه از آب دریا استخراج می‌شود.
غشاها از پلی(اکتیل‌متیل‌سیلوکسان) (POMS)، یک پلیمر آبگریز که به‌طور گسترده در جداسازی گاز استفاده می‌شود، ساخته شده‌اند. POMS نفوذپذیری اکسیژن بالاتری نسبت به پلی‌تترافلوئورواتیلن یا پلی‌اولفین‌ها ارائه می‌دهد.
پژوهشگران غشا را با استفاده از مخلوط ویژه‌ای بر پایه سیلیکونی با عوامل ربطدهی و کاتالیزور پلاتین ساختند. غشا بر روی یک پایه متخلل پوشیده با پلی‌اکریلونیتریل ریخته شد. غشای نهایی ۴ میکرومتر ضخامت داشت و با استفاده از دستگاه سفارشی برای جریان اکسیژن آزمایش شد، که نفوذپذیری ۳٫۳۹ × ۱۰⁻⁹ مولم²ثا¹پا¹ در چهار نمونه اندازه‌گیری شد.
غشا، که در بدنه یک AUV به کار رفته است، اجازه می‌دهد اکسیژن محلول عبور کند در حالی که آب مایع را مسدود می‌کند. اکسیژن با فشار گرادیان به علت مصرف سلول سوختی از طریق غشاء منتشر می‌شود. حرارت اضافی و بخار آب به عنوان محصولات جانبی نیاز به یک بخش خشک‌کن هوا دارد، اگرچه به دلیل کوتاهی مدت آزمایش‌ها در نمونه اولیه یک مبدل حرارتی شامل نشد.
در حالی که سلول سوختی و ذخیره هیدروژن تجاری در دسترس هستند، ماژول غشای کلیدی نوآوری است که با شبیه‌سازی آبشش‌های ماهی، به‌طور کارآمد اکسیژن تامین می‌کند. عملکرد آن تعیین‌کننده قدرت در دسترس است، در حالی که بهبودهای دیگر سیستم اصلیاً دوام را افزایش می‌دهند.
پژوهشگران ادعا می‌کنند که طراحی آن‌ها جایگزینی امیدوارکننده برای باتری‌ها در عملیات گلایدهای دریایی با دوام طولانی‌مدت ارائه می‌دهد، با پتانسیل برای کارایی بیشتر و پایداری.
جزئیات پژوهش تیم در مجله Advanced Science منتشر شد.
