Ученые разработали микрореактор размером с ладонь, который решает проблему портативного электропитания для оборудования в полевых условиях

Японскими учеными разработан миниатюрный реактор на базе твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ), сопоставимый по размеру с ладонью.

Как сообщает Токийский технологический институт, этот портативный источник энергии может обеспечивать электропитанием устройства с высоким энергопотреблением, такие как беспилотники и роботы.

В отличие от промышленных ТОТЭ, которые требуют 30 минут для разогрева, новый микрореактор достигает рабочей температуры всего за пять минут после запуска в холодном состоянии.

Твердооксидные элементы топлива отличаются высокой плотностью энергии, которая в четыре раза превышает аналогичный показатель литий-ионных аккумуляторов. Данная технология преобразует топливо, обогащенное водородом, непосредственно в электричество посредством электрохимической реакции, обеспечивая высокую эффективность при минимальных энергетических затратах.

Тем не менее для применения этой технологии в малогабаритной электронике существует проблема, связанная с тем, что данная технология обычно работает при очень высокой температуре, достигающей 600 °C. Попытки уменьшить ТОТЭ до размеров смартфона приводят к растрескиванию и выходу из строя устройства из-за интенсивного нагрева.

В связи с этим, интеграция ТОТЭ в малогабаритную электронику осложнена существенной температурной разницой между разогретым внутренним ядром и относительно холодной внешней поверхностью, что создает термическую нагрузку. Это напряжение вызывает разрушение большинства миниатюрных конструкций, делая их ненадежными и небезопасными для использования в портативном режиме.

В разработанном микрореакторе проблема перегрева решается за счет использования «каркасной» конструкции.

Ученые применили в своей работе особый керамический материал — диоксид циркония, стабилизированный иттрием (YSZ). Отказавшись от монолитного исполнения, они разработали эластичную консольную конструкцию для снижения теплопередачи. Эта основа служит защитным корпусом для топливного элемента, предусматривая микроскопические каналы для перемещения топлива и воды.

Инженерная концепция усилена усовершенствованной многослойной теплоизоляцией с уменьшенным весом, которая сохраняет тепло внутри устройства.

В совокупности, эти особенности сводят к минимуму теплопроводность и излучение, обеспечивая структурную целостность устройства и изолируя высокие внутренние температуры от внешней среды.

Важно отметить, что устройство достигает рабочей температуры в 600 °C всего за пять минут, что значительно превосходит показатели стандартных крупномасштабных реакторов, которым требуется полчаса только для выхода на рабочий режим.

Эта технология может найти применение в периферийном оборудовании, которое нуждается в обработке больших объемов данных в полевых условиях без доступа к централизованной электросети.

Источник: interestingengineering