Как материалите с фазов преход помагат в подводните изследвания...
Човечеството активно изследва космоса, но дори Земята остава непълно проучена от нас. Например, около 80 % от дъното на световния океан все още не е картографирано. Изследването на океанското дъно е възпрепятствано главно поради липсата на слънчева енергия, необходима за захранване на изкуствени обекти. Единственият наличен начин за захранване на роботи и сензори на големи дълбочини е да се използват батерии.
Батериите обаче са с кратък живот и практически е невъзможно да бъдат презаредени на океанското дъно. Това прави подводните изследвания не само изключително скъпи, но и вредни за околната среда, тъй като повечето апарати остават на дъното след разреждане на батериите си. Според изчисленията в момента във водите на световния океан има около 4000 роботизирани сензора, от които около 1000 потъват всяка година поради изтощаване на батериите.
НАСА изглежда обаче е намерила възможно решение на този проблем: батерии, които могат да се захранват от околната среда за неопределено време и без участието на човека.
Тези батерии се основават на материали с фазов преход, които генерират кинетична енергия при преминаването си от едно състояние в друго.
Практически всички вещества на Земята, с изключение на водата и някои метали се разширяват при топене и се свиват при замръзване. Тези свойства вече се използват от НАСА за подобряване на термичната стабилност на космическите кораби. Пример за използване на материали с фазов преход е парната машина, при която разширяването на водата в пара задвижва двигател.
Идеята за използване на обемното разширение за генериране на електроенергия подтиква ученият от НАСА И Чао и колегите му от Лабораторията за реактивно движение да разработят технология, която може да доведе до революция в подводните изследвания.
Чао участва в мисията на НАСА „Aquarius“, която има за цел да изследва солеността на океаните с помощта на сензори. Мисията беше успешна, но ограниченията на батериите на сензорите вдъхновиха Чао да потърси нови решения.
За своя проект той избира вещество от семейството на парафините, което се топи при 10°C, което е между дълбоководните (4,4°C) и повърхностните (21°C) температури. Подводните сензори и роботи редовно излизат на повърхността, за да предават данни и да се връщат обратно, като преминават през различни температурни слоеве на океана. Тези температурни промени влияят на парафина, като го карат да се топи и разширява, генерирайки малки количества кинетична енергия.
Тази концепция е успешно тествана от Чао и неговия екип през 2011 година, когато те построяват прототип на поплавък и подводен планер, задвижван от тази технология. Идеята получава подкрепа и технологията е лицензирана. Създадена е компания, наречена Seatrec, която да я произвежда.
В момента Seatrec продава такъв безкраен източник на енергия под формата на модула SL1, който вече се използва от лаборатории, университети, правителства и военноморските сили на САЩ. В бъдеще компанията планира да произведе система за захранване на подводни планери и електроцентрала, която използва материал за фазов преход (течност-газ) за генериране на много по-големи количества енергия, които биха могли да захранват големи роботи.
Военноморските сили на САЩ финансират инсталирането на енергийна станция в Арктика, за да докажат, че е възможно да се генерира енергия от температурната разлика между водата и въздуха. Както отбеляза Чао, „навсякъде, където има температурна разлика, тя може да се превърне в електричество“, което е изключително обещаващо. Времето ще покаже дали можем да се възползваме напълно от тази идея.