Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) стали бесценным решением для космических аппаратов, обеспечив им многолетнюю работу в глубинах Солнечной системы. США, Китай, СССР и Россия успешно использовали и используют РИТЭГи десятилетиями. В Южной Корее технологию впервые реализовали в 2022 году, и намерены широко внедрить её в практику в последующие годы, чему обязалась всесторонне помочь компания LG Innotek.

Источник изображения: KAERI

«Исследования по разработке атомных батарей в качестве стабильного источника энергии для освоения космоса принесли свои плоды, — сказал представитель Корейского научно-исследовательского института атомной энергии (KAERI). — Однако остаётся ограничение, заключающееся в зависимости от импорта основных компонентов батарей. Недавно государственный и частный секторы объединили усилия, чтобы преодолеть это ограничение».

Институт KAERI и компания LG Innotek подписали меморандум о сотрудничестве в сфере разработки технологий, материалов и производственных процессов, для создания независимого от импорта производства радиоизотопных термоэлектрических генераторов (батарей) в Южной Корее. Генераторы РИТЭГ вырабатывают энергию в процессе распада изотопов, превращая тепловую энергию в электрический ток.

Институт KAERI сосредоточится на разработке технологии производства мощных термоэлектрических устройств, в то время как LG Innotek, которая специализируется на производстве и продаже термоэлектрических материалов, сфокусируется на разработке высокоэффективных термоэлектрических материалов для преобразования энергии в составе РИТЭГ, для чего также создаст внутреннюю цепочку поставок.

В соответствии с договорённостью, партнёры будут сотрудничать в разработке дизайна, технологических процессов и технологий оценки термоэлектрических элементов для атомных батарей. Они также будут сотрудничать в области проектирования, синтеза и обработки термоэлектрических материалов для термоэлектрических элементов, обеспечивая переход к отечественному производству термоэлектрических элементов.

«Для обеспечения независимых технологий освоения космоса в будущем зависимость от импорта ключевых компонентов является проблемой, которая должна быть решена, — заявили в KAERI. — В новую космическую эру мы будем активно сотрудничать с частными компаниями, чтобы на ранних этапах обеспечить безопасность основных технологий ядерных батарей. Мы внесём свой вклад, чтобы наша страна могла возглавить международное сотрудничество в области освоения космоса».

Исследователи из Университета Тохоку представили экологически безопасную одноразовую воздушно-магниевую батарейку. Для её активации нужна только обычная вода. В основе батареи лежит магний, который взаимодействует с водой и воздухом (кислородом). Такую батарею легко утилизировать, а использоваться она может для диагностических и носимых устройств.

Источник изображения: Tohoku University

В публикации учёные рассказали о разработке и тестировании высокоэффективной бумажной батареи, активируемой водой. Она использует нейтральный электролит и безопасный высокоэффективный электрокатализатор AZUL на основе пигмента. Бумажная батарея была изготовлена путём приклеивания фольги из магния (Mg) к бумаге и формирования катодного катализатора, а также газодиффузионного слоя (GDL) непосредственно на противоположной поверхности батареи.

Изготовленная таким образом бумажная батарея обеспечила напряжение постоянного тока 1,8 В. Плотность тока достигла 100 мА/см², а максимальная выходная мощность составила 103 мВт/см². Отдельно была проверена и подтверждена безопасность материалов, используемых в бумажной батарее. Кроме того, учёные на примерах показали применение экспериментальной батареи в носимых сенсорных устройствах, таких как пульсоксиметр (датчик SpO₂) и GPS-регистратор.

Источник изображения: The Royal Society of Chemistry 2024

Самым сложным в разработке было создать капиллярный механизм насыщения батареи водой в процессе активации, чтобы магний начинал взаимодействовать с водой и отдавать электроны и ионы. Учёные с этой задачей справились и считают, что для целого ряда сфер применения воздушно-магниевые батареи подойдут лучше литиевых.

Воздух буквально пропитан электричеством, заявляют учёные. Его можно добывать из атмосферы где угодно и когда угодно. Наглядный пример — это грозы. Грозу можно воссоздать на уровне отдельных молекул и это может стать фактически бесконечным источником энергии, рассказали исследователи из США.

Источник изображения: Pixabay

Проблемой добычи электричества из воздуха давно занимаются учёные из Массачусетского технологического университета в Амхерсте (UMass Amherst). Много лет они экспериментируют с культурами бактерий Geobacter sulfurreducens. В серии научных работ исследователи показали, что наноструктуры из бактерий и продуктов их жизнедеятельности способны вырабатывать электричество. Бактерии производят белковые нити нанометровой толщины и тем самым создают среду для надёжной абсорбации влаги из воздуха. На основе разработки, например, учёные представили пластырь, вырабатывающий электричество при сборе пота человека.

Источник изображения: Xinying Liu

Объёмный материал из множества нанонитей создаёт в своей толще перепад уровня влажности между одним электродом и другим, и запускает процесс ионизации во влажной среде. Это естественным образом ведёт к возникновению разности потенциалов на электродах и к протеканию тока, если к ним подключить нагрузку. Всё что нужно для работы такого генератора — это влага в воздухе, а она есть даже в пустыне.

Дальнейшие работы по совершенствованию «воздушного» генератора привели к удивительному открытию. Оказалось, что для его создания бактерии совершенно не нужны. Генератор можно создать из множества легкодоступных материалов, но главное соблюсти определённые условия. Ключевое из них — это создание перепада влажности, а как его добиться — это дело десятое.

Доказательство концепции в одной из предыдущих работ группы UMass Amherst. Источник изображения: Nature

В самом простом случае генератор по извлечению электричества из воздуха представляет собой две лежащие друг на друге перфорированные плёнки. Перфорация выбирается такой, чтобы молекулы воды проникали сквозь неё с трудом, в частности, для атмосферной влаги — это 100 нм. Тем самым на верхней плёнке скапливается больше влаги, чем на нижней и таких слоёв может быть множество — это своего рода насыщенное влагой грозовое облако.

Для влажных районов материал может быть один, для пустынных областей — другой, и всё это без какой-либо возни с бактериальными колониями, о чём исследователи рассказали в журнале Advanced Materials. Таким образом, заключают учёные, из многослойных структур можно создавать генераторы электричества из воздуха киловаттного уровня и это звучит потрясающе.

Индийские учёные реализовали суперконденсатор микронного размера — создали самый маленький накопитель энергии данного типа. Разработка будет востребована для носимой и имплантируемой электроники, а также для датчиков и миниатюрной «умной» техники. Такую микронную «батарейку» можно встроить в любой чип, а это автономность и свобода действий.

Источник изображения: Vinod Panwar

В отличие от обычных химических батарей (аккумуляторов), суперконденсаторы заряжаются очень быстро и способны отдавать большую мощность за кратчайшее время. С ёмкостью у суперконденсаторов всё гораздо скромнее, но для многих задач её вполне хватает. Индийская разработка снимает ещё одно ограничение — учёные совершили прорыв на направлении миниатюризации. Размеры изделия были уменьшены на три порядка.

В основе «микросуперконденсатора», разработанного в Индийском институте науки в Бенгалуру, лежит графен и такой двумерный материал, как дисульфид молибдена (MoS₂). Чешуйки графена и MoS₂ чередовались в каждом электроде суперконденсатора — в катоде и аноде. В качестве электролита использован гель, что даёт возможность интегрировать микросуперконденсаторы в чипы. С водорастворимым электролитом такое было бы сложно или даже невозможно.

Изготовленный таким образом конденсатор показал ёмкость 1,8 мкФ/см² для однослойной структуры (графен-MoS₂). Многослойная структура электродов, состоящих из нескольких чередующихся слоёв графена и дисульфида молибдена набрала ёмкость в 30 раз больше или 54 мкФ/см², а это уже представляет интерес с практической точки зрения.

Источник изображения: ACS Energy Letters

Как поясняют в своей работе учёные, опубликованной в журнале ACS Energy Letters, двухслойные материалы типа MoS₂ являются полупроводниками и, по сути, образуют p-n-переходы (транзисторные структуры). Множество переходов заставляет ионы распределяться между слоями электродов, а не скапливаться исключительно на границе раздела электролит-электрод. Электроды сами становятся накопителями энергии. Это кратно увеличивает ёмкость самых маленьких суперконденсаторов и сулит им хорошие перспективы в качестве источников питания носимой электроники.

Учёные из Австралии смогли выделить фермент, который преобразует водород из атмосферы в электрический ток. Фермент добывается из бактерий, способных выживать во льдах и в термальных источниках. Чувствительность фермента настолько высока, что он улавливает водород в следовых количествах. Когда-нибудь с его помощью можно будет питать гаджеты и другую электронику.

Атомная структура фермента Huc. Источник изображения: Rhys Grinter/CC BY-NC

Вряд ли батарейки с колониями бактерий станут конкурентами людей в борьбе за воздух на нашей планете. Обнаруженный исследователями с факультета биомедицинских открытий Университета Монаша в Мельбурне фермент извлекает энергию из водорода, а не из кислорода. Учёных давно занимал тот факт, что некоторые бактерии могут благополучно жить как в условиях экстремально низких, так и высоких температур. Работа с одними из таких бактерий привела к интересному результату — открытию фермента Huc.

Выяснилось, что фермент улавливает водород вплоть до концентраций 0,00005 % в обычном воздухе, которым мы дышим. Никакие другие известные науке катализаторы или ферменты не способны реагировать с водородом в подобных концентрациях. Учёные подробно изучили механизм взаимодействия фермента с водородом и научились добывать его из бактерий в объёмах достаточных для исследований.

Также выяснилось, что фермент очень устойчив и может долго храниться, например, в замороженном состоянии. Для серийного производства источников питания на основе ферментов это удобное свойство. Правда, у учёных пока нет рецепта, как массово производить нужный фермент и каким должен быть элемент питания на его основе. На этих задачах они обещают сосредоточиться на следующих этапах исследования.

Добавим, статья о работе вышла в журнале Nature.