Vi omgiver os med stadig flere elektroniske dimser, og de bliver stadigt mindre.
Samtidig stilles der hele tiden større krav til ydelse, og til at dimserne skal være lette at tage med sig. Alle har brug for energi for at kunne fungere – og batterier har en begrænset levetid.
I en artikel i tidsskriftet InTech præsenterede forskere ved Institut for Mikro- og Nanosystemteknologi (IMST) ved Høgskolen i Vestfold i Norge for nyligt en oversigt over, hvad de ser som mulige løsninger på denne udfordring.
Ph.d.-stipendiat Luca Petricca arbejder med mikro- og nanoteknologi, som egner sig til ubemandede luftfartøjer i nanoformat – små droner, som kan være formet som en lille helikopter, så små, at de kan være på en håndflade – og da skal indmaden laves med mikro- og nanoteknologi.
»Superkapacitatoren med overlegen evne til at lagre energi er løsningen,« skriver han i artiklen.
Batterier varer ikke evigt
Batterier har længe været den vigtigste energikilde. Men nu går den teknologiske udvikling af batterierne meget langsommere end udviklingen af al anden elektronik.
»Der er derfor grund til at tro, at batterierne på sigt vil få en mindre rolle, hvis der ikke sker et eller andet revolutionerende,« mener professor Per Øhlckers, der er en af de andre forskere bag artiklen.
Batterier har en god ydelse og energitætheden er høj, men den begrænsede levetid er en stor ulempe.
Brændselsceller er en mulig løsning
En anden energikilde er brændselsceller, elektrokemiske indretninger, som omdanner kemisk energi til elektrisk energi.
De findes i mange forskellige varianter. Forskellen er, hvad de bruger som drivstof. De mest lovende i dag er såkaldte 'Proton Exchange Membrane-brændselsceller', som bruger hydrogen, og en undergruppe kaldet direkte methanol-celler, som bruger methanol som drivstof. Disse celler er meget miljøvenlige, da rent vand er det eneste affaldsprodukt.
»Problemet med denne teknologi er, at hydrogen skal fremstilles på fabrikker, med alle de ulemper, som dette medfører,« siger Luca Petricca.
Oveni er det svært at lagre ren hydrogen.
»Methanol er mere lovende, og flere virksomheder er allerede på markedet med brændselsceller med denne teknologi,« siger forskeren.
Mikro med meget energi
Forbrændingsmotoren er mere end 150 år og er den almindeligste form for energiforsyning til forskellige køretøjer.
Hovedudfordringen er, ifølge forskerne, at få tilstrækkelig forbrænding i så lille en volumen, som der er i mikro- og nanosystemer. Oveni er varmetabet ved forbrændingen så stort, at det kan føre til, at systemet kvæles.
Mikroturbiner baseret på teknologi for MikroElektroMekaniske Systemer (MEMS) har også været forsøgt.
Princippet er det samme som for store turbiner, der bruges til at producere hundredvis af megawatt, men nu baseret på silicium og fremstillet med MEMS.
»Man skal derfor ikke se bort fra, at mikroturbiner baseret på MEMS-teknologi en dag kan bruges som energikilde i bærbar elektronik og små køretøjer,« siger Luca Petricca.
Nanomaterialer kan blive vigtige
Løsningen ligger imidlertid antageligt i nanoteknologien, mener forskerne fra Vestfold.
»Hvis vi kan kombinere nanofabrikation og nanomaterialer, vil vi kunne komme frem til meget interessante løsninger - for eksempel i form af kondensatorer, som lagrer elektrisk energi, såkaldte superkondensatorer,« siger professor Xuyuan Chen, den tredje og sidste forfatter bag artiklen.
»Vi vil så kunne fremstille strukturer med en stor overflade i forhold til massen. Dette er vigtigt, fordi jo større overflade, desto mere akkumuleret energi kan superkondensatorstrukturen lagre. Ved hjælp af ætsning og deponering vil vi kunne fabrikere meget komplekse mekaniske strukturer,« siger han.
Derudover vil brugen af sådanne materialer i processen, gøre det muligt at lave film og lag med specifikke karakteristika, som at nogen leder strøm, at nogen fordeler tryk, nogen giver mekanisk modstand og så videre.
Det har for eksempel været muligt at udvikle solceller, som er langt mere effektive end dem vi bruger i dag, og vi er i stand til at lave nye materialer, som kulstofnanorør eller grafen, som har revolutioneret elektronikkens verden.
»Forskere har også vist, at det er muligt at konstruere batterier af tynd film og at lave fibre, som kan lagre energi, såkaldte e-tekstiler.«
En anden måde at tænke på er, at dimserne vil være i stand til at høste energi fra deres omgivelser, at de altså selv genererer den energi, de har brug for.
Mere energi, længere levetid
Batterier har flere begrænsninger. En standardkondensator derimod har høj energitæthed, næsten ubegrænset levetid og er hurtig at lade op.
»En kondensator er en elektrisk komponent, som kan lagre elektrisk energi og give den fra sig, når der er behov for det,« forklarer Luca Petricca.
»Vi kan sammenligne det med en lille vandtank. Den mest simple variant består af to metalplader med et isolerende lag imellem.«
Energitætheden er imidlertid for lav til, at den kan bruges som primær energikilde.
Supervandtank
Superkondensatoren er en videreudvikling.
»Her bruger vi nanomaterialer og bygger komponenter, som kan lagre flere tusinde gange mere energi end en standardversion.«
Hvis vi holder os til vandsammenligningen: Forskerne bygger en supervandtank, som kan lagre flere tusinde gange så meget vand – på den samme plads.
En superkondensator kombinerer batteriets og kondensatorens fordele og udgør et system med høj energitæthed, den har praktisk talt ubegrænset levetid samtidigt med at den beholder energitætheden.
»Meget taler for, at vi her har fundet en attraktiv løsning for fremtidens energibehov i mikro- og nanoverdenen,« siger Luca Petricca.
Der findes flere typer superkondensatorer, og allerede nu kan de efter Luca Petriccas vurdering tages i brug for eksempel i en bil, hvor den kan supplere batteri eller drivstof, når der er behov for ekstra meget energi til en overhaling.
Der er lavet prototyper i form af små færger, busser og biler, som demonstrerer, at dette fungerer rent teknisk, selvom høje omkostninger fortsat er en udfordring.
Superkondensatorer oplades på meget kort id, og det er netop denne egenskab kunderne og markedet venter på.
© forskning.no Oversættelse: Julie M. Ingemansson
