На родине атомной бомбы, в Лос-Аламосе, штат Нью - Мексико, физик Боб Хокадей разрабатывает новый источник энергии - долговечный источник питания, который может совершить революцию в портативной электронике.
Хокадей не сомневается, что сумеет отправить обычные аккумуляторные батарейки на свалку, а взамен мы
должны получить топливные микроэлементы. Иными словами, миниатюрные электростанции, в основу которых положена технология с историей в 160 лет. Еще немного, и они в течение нескольких недель подряд будут питать PDA-компьютеры, ноутбуки, сотовые телефоны и любую другую портативную технику. «Наша цель – создать для мобильного телефона источник питания, который не нужно будет перезаряжать в течение месяца», - говорит Хокадей. Он уже основал научно–исследовательскую компанию Energy Related Devices, став одним из пионеров данного направления. Топливными элементами увлеклись и гиганты в области электронной промышленности
- Samsung, Toshiba, Motorola.
Обычные источники питания, применяемые в портативных приборах, то есть ионно-литиевые аккумуляторные батареи, садятся в самый не подходящий момент, после чего надо потратить несколько часов, для их перезарядки, хорошо, если есть где, а о весе батарей для ноутбука и говорить не приходиться. И этот, далеко не полный список проблем, призваны исправить «Микроэлектроэлектростанции». Как и обычные топливные элементы, они вырабатывают ток за счет реакции водорода с кислородом, в процессе которой получается вода. Только в качестве первичного топлива водород не годиться, возникает проблема с хранением. Поэтому в качестве реагента было решено использовать
метанол - метиловый спирт. И уже из него извлекать водород.
Этот способ, правда, не лишен недостатков. Реакция реформинга, в результате которой метанол и вода превращаются в водород и углекислый газ, лучше всего происходит при температуре 250 градусов. Достаточно приличная температура для ношения в кармане, да и сам реактор не миниатюрен. Однако за последние годы ученые разработали топливные элементы с «прямым» преобразования метанола – DMFC (Direct Methanol Fuel Cell). Благодаря платиновому катализатору, реакция по извлечению водорода может проистекать при комнатной температуре и, что не маловажно, эта технология не требует большой емкости.
В начале 2002 года мюнхенская компания SFC (Smart Fuel Cell) объявила о создании
"самого компактного топливного элемента с прямым преобразованием метанола"». Вес установки – два килограмма, размер – с обычный кирпич. В ходе экспериментов в установку залили чуть меньше 200 мл.
метилового спирта и в течение восьми часов получали напряжение,
мощностью в 40 ватт. Этого вполне достаточно, что бы одновременно питать ноутбук, сотовый телефон и принтер. На данный момент известно, что компания уже имеет опытный образец, который в два раза меньше и легче своего предшественника при той же вырабатываемой мощности. Испытание новинки пройдут в этом году. Йенс Миллер, технический директор SFC, прогнозирует, что с началом производства топливные элементы будут ничуть не дороже ионно-литиевых батарей того же размера. Преимущество DMFC перед обычными аккумуляторами очевидно. У топливных элементов есть еще один плюс, в отличие от обычных аккумуляторов их мощность не рассеивается, пока устройство выключено. К тому же, со временем они не утрачивают аккумулирующих свойств. «С топливным элементом все гораздо проще: продолжительность его работы зависит от количества «горючего», - говорит Хокадей.
Но не смотря на все явные преимущества, топливные элементы пока не могут заменить литиевые батареи, по крайней мере, в телефонах. Первостепенная задача, стоящая перед SFC, - обеспечить метаноловыми картриджами возможных потребителей.
Т.е. SFC необходимо насытить рынок, сделать,
что бы картриджи продавались везде и
человек мог придти в магазин и без проблем
купить раходник для своей станции. . «Распределение товара – это препятствие, которое мы обязательно преодолеем», - обещает Мюллер.
Но есть и другие проблемы, одна из них – удельная мощность то есть мощность, производимая на единицу массы или объема. Этот параметр очень важен для портативных устройств, поскольку от него
зависит размер и вес. Чем выше удельная мощность, тем меньше вес и соответственно размеры.
«Я уверен, что топливные элементы найдут применение в современных мобильных телефонах», - говорит Дэвид Харт, глава подразделения по исследованиям в области топливных элементов в Центре энергетической политики и технологии (Centre for Energy Pilicy and Technology) при Имперском колледже в Лондоне. – Технически очень трудно изготовить миниатюрные топливные элементы, которые смогут уместиться в корпусе мобильника и одновременно обеспечить пользователя таким же объемном мощности, что и обычные батареи».
Ионно-Литиевая батарея выдает 150 ватт-часов на килограмм, а топливный элемент SFC
- 160, неплохой показатель. Однако за счет контейнера с топливом масса и объем элемента увеличиваются. Таким образом, изготовить малогабаритный источник питания, который сможет вместить достаточно топлива и одновременно стать меньше обычной батареи, не так просто. Стоимость – еще одно препятствие для данной технологии. Хотя литр метанола вряд ли превышает стоимость десяти центов, это вещество обладает коррозийными свойствами, поэтому упаковка обойдется не дешево. За одну 250- миллиметровую ампулу спирта придется отдать три
доллара. Запредельная цена, если сравнивать с подзарядкой телефона от обычной розетки. Кроме того, в процессе работы SMFC потребляют кислород, выделяя при этом углекислый газ. Это вынуждает к принудительному «проветриванию». Но мобильники, как правило, носят либо в карманах брюк, либо в сумочках.
"Это не лучшая среда для топливного элемента",
считает Мюллер. Хокадей соглашается: «Топливному элементу нужно дышать». И, наконец, топливные элементы лучше всего работают, когда жидкость течет свободно. К тому же у элемента есть подвижные части, чувствительные к ударам и толчкам, к которым часто подвержен телефон. «Это все равно, что проектировать живое существо», - объясняет Хокадей и предлагает некоторые решения. Его последняя разработка с прямым преобразованием метанола по размерам не больше кредитной карты.
Соответственно, элемент все же можно вместить в мобильник. Хокакдей так же утверждает, что смог избавиться от подвижных частей. Вместо них он применяет специально сконструированную ампулу, в которой метанол диффундирует в рабочую камеру через пористую поверхность, а отработанная вода уходит из камеры благодаря капиллярному эффекту. «В топливном элементе для мобильного телефона все будет зависеть от диффузии», - объясняет он. - Его можно повернуть вверх дном и даже уронить, и
ничего не случиться». Хокадей придумал своему изобретению и первое применение, сделал зарядное устройство для мобильного телефона , которое можно носить на ремне. Своего рода заряжающая кобура. «По сути, это гибридный подход. Ваш телефон по прежнему работает на литиевой батареи, которая постоянно заряжается, пока вы ее носите в кобуре». В ходе лабораторных испытаний образец устройства Хокадея в течение полугода работал непрерывно.
Пока не удается убедить производителей в преимуществах топливных элементов для мобильных телефонов. Но
ноутбуки открывают более широкие перспективы. Короткое время работы батарей ноутбука - общеизвестный факт. Новомодные модели,
снабжены энергоемкими функциями, включая беспроводной доступ в Интернет и более ярким дисплеем, в результате современные аккумуляторы едва ли дотягивают до трех часов работы. А топливные элементы могут увеличить это время в пять раз, говорит Мюллер.
Компания SFC разрабатывает гибридную батарею для лэптопа, которая содержит подзаряжающий топливный элемент. Опять же возникает проблема перевозки «Сегодня ни одна авиакомпания не разрешает брать ампулы с чистым метанолом в салон, - объясняет Харт. Ну а если не возможно брать их с собой, то и покупать их
никто не будет. Мюллер соглашается, но считает, что
дело лишь во времени. «Уже есть разрешение от международной ассоциации авиатранспорта на перевозку наших картриджей в багажном отделении. И теперь мы добиваемся, чтобы можно было брать их в салон», - говорит он. Метанол не более опасен
чем духи, которые продают во время полета.
У исследователей есть стимул. Один из них - создание мобильных телефонов третьего поколения. Телекоммуникационные фирмы вкладывают в них огромные средства. Первые образцы уже существуют в Японии, однако принимают их с прохладно и причина вот в чем. Используемая в них батарея выдерживает только от двадцати до сорока минут работы. Ведь устройство в десять раз быстрее обычного телефона передает большие объемы данных по высокочастотному радиоканалу. «Все гиганты японской электронной промышленности, включая такие фирмы, как NEC, Sony и Toshiba, разрабатывают топливные элементы для телефонов третьего поколенья», - говорит Харт .
Ссылки:
http://www.smartfuelcell.de
http://www.energyrelatedevices.com
