Японские ученые создали безопасную портативную энергоустановку для дронов и роботов
Ученые из Токийского института науки разработали миниатюрную портативную энергоустановку на основе твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ), которая помещается на ладони. Устройство способно стать эффективным источником питания для автономных систем, требующих высокой энергоотдачи, таких, как беспилотные летательные аппараты, мобильные роботы и оборудование для обработки данных искусственного интеллекта в полевых условиях.
Твердооксидные топливные элементы являются перспективной технологией, поскольку их энергетическая плотность потенциально в четыре раза превышает плотность распространенных литий-ионных аккумуляторов. Они генерируют электричество за счет электрохимического преобразования водородсодержащего топлива с высокой эффективностью и малыми потерями. Основным препятствием для их миниатюризации была чрезвычайно высокая рабочая температура — около 600 °С. При уменьшении размеров разница температур между раскаленной внутренней частью и внешним корпусом создает критические механические напряжения, приводящие к разрушению керамических компонентов.
Японским исследователям удалось решить эту проблему с помощью принципиально новой конструкционной схемы. Вместо массивных элементов они создали гибкий каркас из специальной керамики — диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Этот каркас выполняет роль несущей основы для тонкопленочного топливного элемента и содержит сеть микроканалов для подвода топлива и отвода продуктов реакции. Конструкция минимизирует теплопроводность и возникающие термические напряжения. Дополнительно система оснащена легкой многослойной теплоизоляцией, эффективно удерживающей тепло в активной зоне. Благодаря этому инновационному терморегулирующему дизайну установка выходит на рабочую температуру 600 °С всего за пять минут с холодного старта, тогда как ее крупные промышленные аналоги требуют для этого около получаса.
Как подчеркнул руководитель работы доктор Тецуя Ямада, данная разработка открывает путь к созданию компактных, высокоплотных источников энергии для автономных устройств, работающих вне стационарной инфраструктуры. Это особенно актуально для периферийных вычислений, где оборудование должно выполнять ресурсоёмкие задачи, такие как анализ видео с дрона или работа нейросетей, без подключения к электросети. Например, дрон, использующий такую установку на водородном топливе, мог бы находиться в воздухе несколько часов вместо 20-30 минут.
Важнейшей особенностью разработки является встроенная пассивная система безопасности. В случае повреждения корпуса или теплоизоляции устройство теряет тепло столь быстро, что температура падает ниже порога воспламенения водорода в течение пяти минут. Это исключает риск пожара или взрыва при аварии, делая технологию безопасной для мобильного использования.
Исследование, представляющее собой масштабируемый прототип для нового класса портативных энергосистем, было в журнале Microsystems & Nanoengineering.