Baterie budoucnosti: mechanické místo chemických. Přinesou uhlíková nanovlákna revoluci?

Uhlíková nanovlákna dovedou uchovávat teoreticky více mechanické energie než lithiové články energie elektrické.

Pokud podle nadpisu hádáte, že bude řeč o setrvačníku schovávající pohybovou energii v rotující hmotě, pletete se. Byť jsou setrvačníky perspektivní, nelze o nich zjistit žádnou základní a vzrušující znalost.

Paradoxně z nudy nyní svět vědy vytrhnul návrh hypotetického zásobníku mechanické energie, jehož zastaralá varianta dosáhla vrcholu v rozšíření, když byla neoddělitelnou součástí hodinových strojků.

Takové šikovné čas měřící zařízení po natažení pružiny vydrží pracovat mnoho dnů, ale to jen protože rozpohybování ručiček vyžaduje nicotný výkon. Je tedy těžké uvěřit, že podobná technika možná jednou bude odvádět práci za elektrochemické články při shromažďování a uvolňování energie.

Navzdory obecné nevýhodnosti pružin k moderním aplikacím se nás snaží o opaku přesvědčit studie australských vědců provedená zatím jen in silico, což znamená, že všechny publikované závěry výzkumné činnosti poskytl počítačový čip, jež zpracoval zadané výpočetní úlohy simulující elastickou deformaci pokusného materiálu.

Principiálně studovaný problém má také kromě stlačování pružiny blízko ke gumičkovému pohonu. Gumičkový pohon je velmi jednoduchý a přitom mocný zdroj pro uvedení hraček do chodu.

Spočívá v tom, že se jeden konec natažené gumičky či svazku přichytí pevně a druhý k otáčející se hřídeli. Pak otáčením hřídele dojde ke zkroucení gumičky a nashromáždění potenciální energie.

S pomocí teorie pružnosti badatelé virtuálně zkroutili nebo natáhli několik druhů uhlíkových nanovláken až k mezi prasknutí a spočítali kolik energie jsou schopna vlákna absorbovat a poté vydat. Došli k překvapivému číslu 1,76 MJ/kg.

Pokud to srovnáme s hodinami, respektive s ocelovou pružinou, zvedne se energetická hustota o 4 až 5 řádů. Dokonce zahanbí i lithiové baterie, které napnutá vlákna překonají až třikrát.

Modelování se podrobily dva druhy uhlíkatého materiálu. Chybět nesměly veřejnosti důvěrně známé uhlíkové nanotrubičky (CNT-carbon nanotube).

Avšak tentokrát hrají pouze druhé housle, protože se neosvědčily, tak jako jejich tolik neproslavený příbuzný materiál tvořený jednorozměrným vláknem z uhlíku.

V posledních letech nastaly jisté pokroky při jeho syntéze a z toho důvodu s ním vědci stále víc počítají a doufají, že jim pomůže překonat některé nedostatky CNT.

Ač jsou oba materiály vybudovány z řetězce atomů uhlíku, značně se od sebe odlišují. Kromě dimenze i vazebným poměrem uhlík-uhlík. Přesto akumulují obdobné množství mechanické energie, přičemž CNT vykazuje lepší mechanické vlastnosti.

Podstatná výhoda nového nadějného typu řetězce se projevila teprve při kooperaci svazků vláken, které budou zásadní k docílení smysluplného řešení. Svazky z nevhodného CNT totiž prodělávají strukturní nestabilitu při velmi malém zatížení, udrží menší elastickou deformaci a mají horší vnitřní uspořádání vlivem absence mezivláknových interakcí.

Mluvčí skupiny Haifei Zhan a spolupracovníci vidí možné přínosy objevu v bezpečnosti a stabilitě. Lithiovým článkům pošramotily pověst časté samovolné exploze, a proto by příhodné uplatnění našel nezáludný zdroj u napájení medicínských přístrojů umístěných v blízkosti těla, jako jsou lékařské senzory a implantáty. Později snad i další elektroniky a kdo ví jednoho dne třeba pro pohon něčeho většího.

Zejména u letadel záleží na každé váhové jednotce a daný poměr kapacity k hmotnosti nadchne každého leteckého inženýra. Nicméně vědci spekulující o budoucnosti rovněž moc dobře vědí, že aby se jejich představy splnily, bude nevyhnutelné nejprve vymyslet systém, co by dokázal spoutat donekonečna opakovatelný jev pružnosti.

Proto nyní chce celý tým dokázat, že neumí jenom mistrně provádět simulace a plánuje postavit reálnou mechanickou energetickou jednotku v nanoměřítku. Haifei Zhan počítá, že jim vývoj mechanismu, který kontroluje kroucení a rozmotávání svazků, zabere dva až tři roky.

Sestavený pidi motor by mohl zajímat ty, jež se zabývají návrhem mikrozařízení. V tuto chvíli ovšem není jisté, zda úroveň techniky dovolí odborníkům zkonstruovat pohon třeba oněch letadel nebo alespoň dronů.

Přechod z nanoměřítka na rozměr makroskopický se řadí k fantastickým představám. Jenže každý objev nějak začínal a tenhle, aby ukázal, co v něm je, potřebuje ještě čas.