Картографирование подводных форм рельефа, течений и температур, а также осмотр и ремонт трубопроводов и глубоководных кабелей – это лишь несколько примеров задач, выполняемых автономно с помощью подводных устройств в глубинах океана. В этих экстремальных условиях задача генераторов энергии состоит в том, чтобы обеспечить как высокую плотность энергии (длительное время работы при базовом потреблении энергии), так и высокую плотность мощности (кратковременное протекание высокого тока) для таких действий, как быстрое движение или действие захватного устройства.
Лян Тан, Ху Цзян и Мин Ху и их команда из Восточно-Китайского педагогического университета в Шанхае, Шанхайского университета и Китайской исследовательской академии наук об окружающей среде в Пекине, Китай, черпали вдохновение из морских организмов, которые могут переключать свое клеточное дыхание между аэробный и анаэробный режимы с использованием различных материалов в качестве акцепторов электронов. Исследователи разработали новый генератор энергии, который работает по тем же принципам.
Ключом к открытию является катод из берлинской синей, открытая каркасная структура с ионами цианида в качестве «распорок» и ионами железа в качестве «узлов», которые могут легко принимать и высвобождать электроны. В сочетании с металлическим анодом эта конструкция может использоваться для выработки электроэнергии из морской воды.
Если потребляемая мощность мала, электроны, поступающие в катод, передаются непосредственно растворенному кислороду. Поскольку растворенный кислород в морской воде неисчерпаем, мощность при слабом токе теоретически может быть обеспечена в течение неограниченного времени.
Однако концентрация растворенного кислорода низкая. Когда потребность в мощности и, следовательно, ток, резко увеличиваются, на катоде не хватает кислорода, чтобы немедленно поглотить все поступающие электроны. Поэтому берлинская лазурь должна накапливать эти электроны, снижая степень окисления атомов железа с +3 до +2. Для поддержания баланса заряда положительно заряженные ионы натрия размещаются внутри каркаса.
Поскольку они присутствуют в морской воде в высокой концентрации, многие ионы натрия – и, следовательно, много электронов – могут быть поглощены за короткое время. Когда потребление тока замедляется, электроны снова переходят на кислород, кислород восстанавливает каркас, Fe (2+) окисляется до Fe (3+), а ионы натрия уходят.
Эта новая система очень устойчива в агрессивной морской воде и может выдерживать многочисленные переключения режимов. Он работал непрерывно в течение четырех дней в высокоэнергетическом режиме без потери мощности.
В высокомощном режиме можно было питать 39 светодиодов и пропеллер.