La US Navy distribuisce elettricità a bordo della maggior parte delle sue navi come una compagnia elettrica. Si affida a conduttori, trasformatori e altre infrastrutture ingombranti.
La configurazione funziona, ma con potenti armi di nuova generazione all'orizzonte e l'onnipresente obiettivo dell'efficienza energetica, la Marina sta cercando alternative ai sistemi di controllo della potenza convenzionali.
Un'opzione prevede l'uso di grafene, quale, dalla sua scoperta nel 2004, è diventato il materiale preferito dai ricercatori che lavorano per migliorare tutto, dalle celle solari alle batterie per smartphone.
Di conseguenza, l'Office of Naval Research ha assegnato agli ingegneri dell'Università di Buffalo $ 800, 000 sovvenzione per sviluppare sottili strisce di grafene chiamate nanonastri che un giorno potrebbero rivoluzionare il modo in cui l'energia viene controllata nelle navi, smartphone e altri dispositivi elettronici.
"Abbiamo bisogno di sviluppare nuovi nanomateriali in grado di gestire maggiori quantità di densità di energia in dispositivi molto più piccoli. I nanonastri di grafene mostrano notevoli promesse in questo sforzo, "dice Cemal Basaran, dottorato di ricerca, un professore nel Dipartimento di Civile di UB, Ingegneria strutturale e ambientale, Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate, e il ricercatore principale della sovvenzione.
Il grafene è un singolo strato di atomi di carbonio impacchettati insieme come un nido d'ape. è estremamente sottile, leggero e forte. È anche il più noto conduttore di calore ed elettricità.
"La bellezza del grafene è che può essere coltivato come organismi biologici invece di fabbricare materiali con tecniche tradizionali, "dice Basaran, direttore del Laboratorio di Imballaggio Elettronico di UB. "Questi materiali di ispirazione biologica ci consentono di controllare le loro organizzazioni atomiche come il controllo del DNA genetico di una cellula cresciuta in laboratorio".
Pur promettendo, i ricercatori stanno appena iniziando a capire il grafene e i suoi potenziali usi. Un'area di interesse sono i sistemi di controllo dell'alimentazione.
Come le linee elettriche aeree, la maggior parte delle navi si affida al rame o ad altri metalli per spostare l'elettricità. Sfortunatamente, questo processo è relativamente inefficiente; gli elettroni si scontrano e creano calore in un processo chiamato riscaldamento Joule.
"Perdi una grande quantità di energia in questo modo, " dice Basaran. "Con il grafene, eviti quelle collisioni perché conduce l'elettricità in un processo diverso, nota come conduzione semi-balistica. È come un treno proiettile ad alta velocità contro autoscontri".
Un'altra limitazione della distribuzione di energia basata su metallo è l'infrastruttura ingombrante:transistor, fili di rame, trasformatori, ecc. - necessario per spostare l'elettricità. Sia su una nave che su un tablet, i componenti occupano spazio e aggiungono peso.
I nanonastri di grafene offrono una potenziale soluzione perché possono agire sia come conduttore (invece del rame) che come semiconduttore (invece del silicio). Inoltre, la loro capacità di resistere a guasti sotto carichi energetici estremi è di circa 1, 000 volte maggiore del rame.
Questo è di buon auspicio per la Marina, quale, come i segmenti dell'industria automobilistica, si sta orientando verso i veicoli elettrici.
Di recente ha lanciato un cacciatorpediniere completamente elettrico; le eliche e gli alberi motore della nave sono azionati da motori elettrici, invece di essere collegato a motori a combustione. Il sistema integrato di generazione e distribuzione di energia può essere utilizzato anche per sparare armi di nuova generazione, come cannoni a rotaia e potenti laser. E l'automazione ha permesso alla Marina di ridurre l'equipaggio della nave, che mette meno marinai in situazioni potenzialmente pericolose.
I nanonastri di grafene potrebbero migliorare questi sistemi rendendoli più robusti ed efficienti dal punto di vista energetico, disse Basaran. Lui e un team di ricercatori:
La ricerca sarà condotta nei prossimi quattro anni.
