Quando l'elettronica ha bisogno delle proprie fonti di alimentazione, ci sono due opzioni di base:batterie e mietitrici. Le batterie immagazzinano energia internamente, ma sono quindi pesanti e hanno una scorta limitata. mietitrici, come i pannelli solari, raccogliere energia dai loro ambienti. Questo aggira alcuni degli svantaggi delle batterie ma ne introduce di nuovi, in quanto possono operare solo in determinate condizioni e non possono trasformare quell'energia in potenza utile molto rapidamente.

Una nuova ricerca della School of Engineering and Applied Science dell'Università della Pennsylvania sta colmando per la prima volta il divario tra queste due tecnologie fondamentali sotto forma di uno "scavenger metallo-aria" che ottiene il meglio da entrambi i mondi.

Questo spazzino metallo-aria funziona come una batteria, in quanto fornisce energia rompendo e formando ripetutamente una serie di legami chimici. Ma funziona anche come una mietitrice, in quanto la potenza è fornita dall'energia nel suo ambiente:in particolare, i legami chimici nel metallo e nell'aria che circondano lo scavenger metallo-aria.

Il risultato è una fonte di alimentazione che ha una densità di potenza 10 volte maggiore rispetto ai migliori raccoglitori di energia e una densità di energia 13 volte maggiore rispetto alle batterie agli ioni di litio.

A lungo termine, questo tipo di fonte di energia potrebbe essere la base per un nuovo paradigma nella robotica, dove le macchine si mantengono alimentate cercando e "mangiando" metallo, rompendo i suoi legami chimici per l'energia come fanno gli esseri umani con il cibo.

A breve termine, questa tecnologia sta già alimentando un paio di società spin-off. I vincitori dell'annuale Y-Prize Competition di Penn stanno pianificando di utilizzare scavenger metallo-aria per alimentare luci a basso costo per case off-grid nei paesi in via di sviluppo e sensori di lunga durata per container che potrebbero allertare in caso di furto, danni o addirittura il traffico di esseri umani.

I ricercatori, James Pikul, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata, insieme a Min Wang e Unnati Joshi, membri del suo laboratorio, pubblicato uno studio che dimostra le capacità del loro spazzino sulla rivista ACS Energy Letters .

La motivazione per sviluppare il loro scavenger metallo-aria, o MAS, deriva dal fatto che le tecnologie che costituiscono il cervello dei robot e le tecnologie che li alimentano sono fondamentalmente discordanti quando si tratta di miniaturizzazione.

Man mano che le dimensioni dei singoli transistor si riducono, i chip forniscono più potenza di calcolo in pacchetti più piccoli e leggeri. Ma le batterie non beneficiano allo stesso modo quando diventano più piccole; la densità dei legami chimici in un materiale è fissa, quindi batterie più piccole significano necessariamente meno legami da rompere.

"Questa relazione invertita tra le prestazioni di calcolo e l'accumulo di energia rende molto difficile il funzionamento di dispositivi e robot su piccola scala per lunghi periodi di tempo, " Dice Pikul. "Ci sono robot delle dimensioni di insetti, ma possono funzionare solo per un minuto prima che la batteria si esaurisca."

Ancora peggio, l'aggiunta di una batteria più grande non consentirà a un robot di durare più a lungo; la massa aggiunta richiede più energia per muoversi, negando l'energia extra fornita dalla batteria più grande. L'unico modo per rompere questa frustrante relazione invertita è cercare legami chimici, piuttosto che metterli in valigia.

"Mietitrici, come quelli che raccolgono solare, energia termica o vibrazionale, stanno migliorando, " Dice Pikul. "Sono spesso usati per alimentare sensori ed elettronica che sono fuori dalla rete e dove potresti non avere nessuno intorno per cambiare le batterie. Il problema è che hanno una bassa densità di potenza, il che significa che non possono prelevare energia dall'ambiente alla velocità con cui una batteria può erogarla."

"Il nostro MAS ha una densità di potenza dieci volte migliore delle migliori mietitrici, al punto da poter competere con le batterie, " lui dice, "Sta usando la chimica della batteria, ma non ha il peso associato, perché sta prendendo quei prodotti chimici dall'ambiente."

Come una batteria tradizionale, il MAS dei ricercatori inizia con un catodo collegato al dispositivo che sta alimentando. Sotto il catodo c'è una lastra di idrogel, una rete spugnosa di catene polimeriche che conduce gli elettroni tra la superficie metallica e il catodo tramite le molecole d'acqua che trasporta. Con l'idrogel che agisce come un elettrolita, qualsiasi superficie metallica che tocca funziona come l'anodo di una batteria, consentendo agli elettroni di fluire al catodo e alimentare il dispositivo collegato.

Ai fini del loro studio, i ricercatori hanno collegato un piccolo veicolo a motore al MAS. Trascinando l'idrogel dietro di esso, il veicolo MAS ha ossidato le superfici metalliche su cui ha viaggiato, lasciando dietro di sé uno strato microscopico di ruggine.

Per dimostrare l'efficacia di questo approccio, i ricercatori hanno fatto guidare il loro veicolo MAS in cerchio su una superficie di alluminio. Il veicolo era dotato di un piccolo serbatoio che immetteva continuamente acqua nell'idrogel per evitare che si seccasse.

"La densità energetica è il rapporto tra l'energia disponibile e il peso che deve essere trasportato, " Dice Pikul. "Anche tenendo conto del peso dell'acqua in più, il MAS aveva 13 volte la densità di energia di una batteria agli ioni di litio perché il veicolo deve trasportare solo l'idrogel e il catodo, e non il metallo o l'ossigeno che forniscono l'energia."

I ricercatori hanno anche testato i veicoli MAS su zinco e acciaio inossidabile. Metalli diversi conferiscono al MAS diverse densità di energia, a seconda del loro potenziale di ossidazione.

Questa reazione di ossidazione avviene solo entro 100 micron dalla superficie, quindi mentre il MAS può esaurire tutti i legami prontamente disponibili con viaggi ripetuti, c'è poco rischio che provochi danni strutturali significativi al metallo che sta recuperando.

Con così tanti usi possibili, il sistema MAS dei ricercatori era una scelta naturale per l'Y-Prize annuale di Penn, una competizione di business plan che sfida i team a costruire aziende attorno a tecnologie nascenti sviluppate presso Penn Engineering. La prima squadra di quest'anno, Luce di metallo, guadagnato $ 10, 000 per la loro proposta di utilizzare la tecnologia MAS nell'illuminazione a basso costo per le case off-grid nei paesi in via di sviluppo. M-quadrato, che ha guadagnato $ 4, 000 al secondo posto, intende utilizzare sensori alimentati da MAS nei container di spedizione.

"Nel breve termine, vediamo il nostro MAS potenziare le tecnologie dell'Internet delle cose, come quello che propongono Metal Light e M-Squared, " Dice Pikul. "Ma ciò che era davvero avvincente per noi, e la motivazione di questo lavoro, è come cambia il modo in cui pensiamo alla progettazione dei robot."

Gran parte delle altre ricerche di Pikul riguardano il miglioramento della tecnologia prendendo spunto dal mondo naturale. Per esempio, l'alta resistenza del suo laboratorio, "legno metallico" a bassa densità è stato ispirato dalla struttura cellulare degli alberi, e il suo lavoro su un pesce leone robotico prevedeva di dotarlo di un sistema circolatorio a batteria liquida che azionasse anche pneumaticamente le sue pinne.

I ricercatori vedono il loro MAS come basato su un concetto biologico ancora più fondamentale:il cibo.

"Poiché otteniamo robot più intelligenti e più capaci, non dobbiamo più limitarci a collegarli a una parete. Ora possono trovare fonti di energia per se stessi, proprio come fanno gli umani, " dice Pikul. "Un giorno, un robot che ha bisogno di ricaricare le batterie avrà solo bisogno di trovare dell'alluminio da "mangiare" con un MAS, che gli darebbe abbastanza potere per farlo funzionare fino al suo prossimo pasto."