Инженеры из исследовательского центра Helmholtz-Zentrum Hereon в Германии разработали инновационную энергетическую систему для автономных подводных аппаратов. Эта система включает искусственные «жабры», позволяющие извлекать кислород из морской воды. Данная технология значительно повышает время автономной работы океанических планеров — роботов, предназначенных для сбора ключевых данных на глубинах до 1000 метров.
Океанические планеры оборудованы сложными сенсорами, которые измеряют температуру, давление, солёность, содержание кислорода и параметры течений. Эти аппараты значительно облегчают проведение замеров в труднодоступных областях океана и оказываются более экономически выгодными по сравнению с исследовательскими судами. Однако литиевые батареи, которые они используют, накладывают ограничения из-за строгих требований к их безопасной транспортировке.
Доктора Лукас Меркельбах и Прокопиос Георгопанос разработали решение для этой проблемы, создав систему, которая использует водород в качестве источника энергии. Система состоит из топливного элемента, генерирующего электричество из водорода и кислорода. Водород хранится в безопасном контейнере с металлогидридами, а кислород извлекается из воды при помощи специальной силиконовой мембраны, функционирующей как искусственные жабры. Прототип включает 38 мембранных рам с общей площадью поверхности 3,0 м². Кроме того, эта система является перезаряжаемой, что снижает эксплуатационные издержки.
Ее работа базируется на градиенте парциального давления кислорода: потребление кислорода топливным элементом снижает его давление в циркулирующем воздухе, что инициирует его диффузию через мембраны. Эксперименты подтвердили эффективность данного метода.
В рамках экспериментов учёные варьировали расход воды и электрическую нагрузку на топливный элемент. Результаты показали, что система может достигать равновесного состояния, при котором потребление кислорода уравновешивается его поступлением через мембраны. Для анализа собранных данных были разработаны модели, которые визуализировали поток воды в модуле и выявили неоднородности, влияющие на эффективность переноса кислорода.
Замеры показали, что проницаемость мембран оказалась выше, чем предполагалось в CFD модели. Исследователи объясняют это наличием конденсата на поверхности мембран, что уменьшает эффективную проницаемость. Новая энергетическая система значительно превосходит существующие аналоги.
Система устраняет необходимость в бортовом хранилище кислорода. Сэкономленный вес и объём можно использовать для дополнительного хранения водорода, что повышает плотность энергии и снижает эксплуатационные затраты в сравнении с текущими аккумуляторными решениями.
отмечает Георгопанос
Несмотря на успех прототипа, учёные стремятся к дальнейшему его усовершенствованию. Они предлагают оптимизировать дизайн мембранного модуля, уменьшая размеры мембран и располагать их плотнее, подобно жабрам рыбы, что увеличит поток кислорода.
Энергетическая система уже запатентована Георгопаносом и Меркельбахом, и они планируют её дальнейшую оптимизацию в рамках проекта MUSE. Этот проект осуществляется в сотрудничестве с Институтом Альфреда Вегенера, Центром полярных и морских исследований имени Гельмгольца в Бремерхафене и Центром океанических исследований имени Гельмгольца GEOMAR в Киле, что направлено на развитие морских технологий и инфраструктуры.
Технология обещает повысить эффективность и экологичность исследований мирового океана, что может способствовать значительному прогрессу в понимании океанов и их участии в глобальных климатических процессах.
Источник: iXBT
