Une nouvelle technologie de récupération passionnante peut générer de l'énergie à partir de la surface du métal

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Lorsque l'électronique a besoin de ses propres sources d'alimentation, il existe deux options de base: les batteries et les moissonneuses-batteuses.


Les batteries stockent l'énergie en interne, mais sont donc lourdes et ont une alimentation limitée. Les moissonneuses, comme les panneaux solaires, collectent l'énergie de leur environnement. Cela permet de contourner certains des inconvénients des batteries, mais en introduit de nouvelles, en ce sens qu'elles ne peuvent fonctionner que dans certaines conditions et ne peuvent pas transformer cette énergie en puissance utile très rapidement.

De nouvelles recherches de la School of Engineering and Applied Science de l'Université de Pennsylvanie comblent pour la première fois le fossé entre ces deux technologies fondamentales sous la forme d'un «récupérateur métal-air» qui tire le meilleur parti des deux mondes.

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Ce capteur métal-air fonctionne comme une batterie, en ce sens qu'il fournit de l'énergie en rompant et en formant à plusieurs reprises une série de liaisons chimiques. Mais il fonctionne aussi comme une moissonneuse, en ce que la puissance est fournie par l'énergie dans son environnement: spécifiquement, les liaisons chimiques dans le métal et l'air entourant le piégeur métal-air.


Le résultat est une source d'énergie qui a 10 fois plus de densité de puissance que les meilleurs récupérateurs d'énergie et 13 fois plus de densité d'énergie que les batteries lithium-ion.

À long terme, ce type de source d'énergie pourrait être à la base d'un nouveau paradigme en robotique, où les machines se maintiennent alimentées en cherchant et en «mangeant» le métal, brisant ses liaisons chimiques pour l'énergie comme les humains le font avec la nourriture.


À court terme, cette technologie alimente déjà deux entreprises dérivées. Les gagnants du concours annuel du prix Y de Penn prévoient d'utiliser des charognards métal-air pour alimenter des lumières à faible coût pour les maisons hors réseau des pays en développement et des capteurs de longue durée pour les conteneurs d'expédition qui pourraient alerter en cas de vol, de dommages ou même traite des êtres humains.

Les chercheurs, James Pikul, professeur adjoint au Département de génie mécanique et de mécanique appliquée, ainsi que Min Wang et Unnati Joshi, membres de son laboratoire, ont publié une étude démontrant leurs capacités de charognard dans la revue Lettres d'énergie ACS .

La motivation pour développer leur récupérateur métal-air, ou MAS, vient du fait que les technologies qui composent le cerveau des robots et les technologies qui les alimentent sont fondamentalement inadaptées en matière de miniaturisation.

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À mesure que la taille des transistors individuels diminue, les puces fournissent plus de puissance de calcul dans des boîtiers plus petits et plus légers. Mais les batteries ne bénéficient pas de la même manière lorsqu'elles deviennent plus petites; la densité des liaisons chimiques dans un matériau est fixe, de sorte que des batteries plus petites signifient nécessairement moins de liaisons à rompre.

«Cette relation inversée entre les performances de calcul et le stockage d'énergie rend très difficile le fonctionnement des appareils et des robots à petite échelle pendant de longues périodes», explique Pikul. «Il y a des robots de la taille des insectes, mais ils ne peuvent fonctionner qu'une minute avant que leur batterie ne soit à court d'énergie.»

Pire encore, l'ajout d'une batterie plus grosse ne permettra pas à un robot de durer plus longtemps; la masse ajoutée nécessite plus d'énergie pour se déplacer, annulant l'énergie supplémentaire fournie par la plus grosse batterie. La seule façon de briser cette relation inversée frustrante est de rechercher des liaisons chimiques, plutôt que de les emballer.

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«Les moissonneurs, comme ceux qui collectent l'énergie solaire, thermique ou vibratoire, s'améliorent», dit Pikul. «Ils sont souvent utilisés pour alimenter des capteurs et des appareils électroniques qui ne sont pas connectés au réseau et où vous n’avez peut-être personne pour remplacer les piles. Le problème est qu’ils ont une faible densité de puissance, ce qui signifie qu’ils ne peuvent pas extraire l’énergie de l’environnement aussi rapidement qu’une batterie peut la fournir.

«Notre MAS a une densité de puissance dix fois supérieure à celle des meilleurs moissonneuses, au point que nous pouvons rivaliser avec les batteries», dit-il, «Il utilise la chimie des batteries, mais n'a pas le poids associé, car il prend ces produits chimiques. de l'environnement. »

Comme une batterie traditionnelle, le MAS des chercheurs commence par une cathode connectée à l’appareil qu’il alimente. Sous la cathode se trouve une plaque d'hydrogel, un réseau spongieux de chaînes de polymère qui conduit les électrons entre la surface métallique et la cathode via les molécules d'eau qu'elle transporte. L'hydrogel agissant comme un électrolyte, toute surface métallique qu'il touche fonctionne comme l'anode d'une batterie, permettant aux électrons de circuler vers la cathode et d'alimenter l'appareil connecté.

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Pour les besoins de leur étude, les chercheurs ont connecté un petit véhicule motorisé au MAS. En traînant l'hydrogel derrière lui, le véhicule MAS a oxydé les surfaces métalliques sur lesquelles il voyageait, laissant une couche microscopique de rouille dans son sillage.

Pour démontrer l'efficacité de cette approche, les chercheurs ont fait tourner leur véhicule MAS en cercles sur une surface en aluminium. Le véhicule était équipé d'un petit réservoir qui injectait continuellement de l'eau dans l'hydrogel pour l'empêcher de se dessécher.

«La densité énergétique est le rapport entre l'énergie disponible et le poids à transporter», explique Pikul. «Même en tenant compte du poids de l'eau supplémentaire, le MAS avait 13 fois la densité énergétique d'une batterie au lithium-ion car le véhicule n'a qu'à transporter l'hydrogel et la cathode, et non le métal ou l'oxygène qui fournissent l'énergie.

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Les chercheurs ont également testé les véhicules MAS sur du zinc et de l'acier inoxydable. Différents métaux confèrent au MAS des densités d'énergie différentes, en fonction de leur potentiel d'oxydation.

Cette réaction d’oxydation n’a lieu qu’à moins de 100 microns de la surface, de sorte que, bien que le MAS puisse utiliser toutes les liaisons facilement disponibles avec des déplacements répétés, il y a peu de risque qu’il cause des dommages structurels importants au métal qu’il récupère.

Avec autant d’utilisations possibles, le système MAS des chercheurs était un choix naturel pour le prix Y annuel de Penn, un concours de plans d’affaires qui met les équipes au défi de créer des entreprises autour des technologies naissantes développées par Penn Engineering. L'équipe première de cette année, Metal Light, a gagné 10 000 $ pour leur proposition d'utiliser la technologie MAS dans l'éclairage à faible coût pour les maisons hors réseau des pays en développement. M-Squared, qui a gagné 4 000 $ à la deuxième place, a l'intention d'utiliser des capteurs alimentés par MAS dans les conteneurs d'expédition.

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«À court terme, nous voyons notre MAS alimenter les technologies Internet des objets, comme ce que proposent Metal Light et M-Squared», déclare Pikul. «Mais ce qui nous a vraiment convaincus, et la motivation derrière ce travail, c'est la façon dont cela change notre façon de penser la conception de robots.»

Une grande partie des autres recherches de Pikul consiste à améliorer la technologie en s'inspirant du monde naturel. Par exemple, le «bois métallique» à haute résistance et à faible densité de son laboratoire a été inspiré par la structure cellulaire des arbres, et son travail sur un poisson-lion robotique impliquait de lui donner un système circulatoire à batterie liquide qui actionnait également pneumatiquement ses ailettes.

Les chercheurs considèrent leur MAS comme s'appuyant sur un concept biologique encore plus fondamental: l'alimentation.

«À mesure que nous obtenons des robots plus intelligents et plus capables, nous n'avons plus à nous limiter à les brancher sur un mur. Ils peuvent désormais trouver des sources d'énergie pour eux-mêmes, tout comme les humains », dit Pikul. «Un jour, un robot qui a besoin de recharger ses batteries n'aura plus qu'à trouver de l'aluminium à« manger »avec un MAS, ce qui lui donnerait assez de puissance pour qu'il fonctionne jusqu'à son prochain repas.»

Réimprimé de Université de Pennsylvanie

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