В рамках реализации программы DARPA «Океан вещей» (Ocean of Things) учёные из Университета Бингемтона разработали миниатюрную роботизированную платформу на бактериальном питании. Робот-водомерка с массой датчиков и радиосвязью сможет десятилетиями скользить по поверхности воды, получая электрическое питание для систем от процесса бактериальной жизнедеятельности в составе специальной батареи.

Источник изображения: Professor Seokheun “Sean” Choi

Исследователи нашли возможность объединить в одной батарее несколько штаммов бактерий, используя преимущества одних и других. Хотя работы ещё не завершены, учёные говорят, что таким образом можно повысить мощность и энергетическую плотность бактериального источника питания.

Батарея разрешает попадание воды вовнутрь, что приносит с собой влагу и питательные вещества. Находящиеся в батарее споры бактерий при благоприятных условиях начинают размножаться и при этом вырабатывают электричество, что свойственно процессам жизнедеятельности отдельных видов микроорганизмов. Пока они вырабатывают электричество, автономный «жучок» выполняет свою работу — плывёт в нужном направлении, фиксирует характеристики среды и проплывающие (пролетающие) в зоне чувствительности датчиков живые и неживые объекты. Затем он передаёт собранную информацию куда надо, если хватает питания.

Попадание в неблагоприятную среду заставляет бактерии в батарее снизить активность и уйти в состояние спор до лучших времён. Таким образом, батарея на бактериях потенциально может оставаться рабочей десятки лет и даже до 100 лет. В лабораторных условиях учёные смогли получить от прототипа батареи до 1 мВт мощности. Этого достаточно для перемещения миниатюрного робота-водомерки и для работы его основных датчиков. Учёные продолжат исследования, чтобы добиться от биобатареи ещё более внушительных характеристик. Они утверждают, что в этом поможет более тщательный подбор комбинации штаммов перспективных бактерий.

Группа китайских учёных решила проблему «бесконечного» питания сверхлёгких беспилотников. Они отказались от традиционных электрических двигателей, слишком тяжёлых для сверхминиатюрных устройств. Предложенный электростатический двигатель показал впечатляющую эффективность и возможность работы до тех пор, пока на беспилотник падает солнечный свет. Питание поступает от солнечных батарей, а дальше в работу вступают кулоновские силы.

Дрон CoulombFly в клетке, чтобы далеко не улетел. Источник изображения: Nature

Исследователи создали прототип летающего устройства массой 4 г с пропеллером диаметром 10 см. Полученный опыт затем был воплощён в прототипе высотой 8 мм и массой 9 мг. Беспилотники сразу начинали подниматься в воздух, едва на них попадали лучи Солнца, поэтому они парили в клетках, чтобы не разлетались по комнате и не улетели в окно.

Учёные пока не ставили перед собой задачу осуществления управляемого полёта. Предстоит ещё много работы по оптимизации платформы, но перспективы, тем не менее, были обозначены. Легчайшие воздушные дроны способны часами оставаться в воздухе на одном лишь солнечном питании. И смогут взмывать в воздух с началом каждого нового дня.

Питание на двигатель беспилотника поступает от тонкоплёночных солнечных батарей на основе арсенида галлия. Их эффективность в сочетании с малым весом сегодня одна из высоких в мире. Для работы электростатического двигателя на эффектах кулоновского притяжения зарядов и отталкивания входное напряжение пришлось повышать с 4,5 В до 9 В. Инвертор стал одной из самых тяжёлых частей беспилотника. Он размещён на платформе в самом низу беспилотника и работает также как противовес. КПД инвертора составил всего 24 % при его весе 1,13 г. Это очень расточительно для аппарата массой 4 г, но деваться было некуда.

Чтобы оставаться в воздухе всей системе требуется чуть более половины ватта энергии. При общей массе в 4 г получается эффективность 7,6 г/Вт. Но большая часть этой мощности теряется при преобразовании напряжения. Если сосредоточиться только на двигателе, ему требуется всего 0,14 Вт, что означает, что его энергоэффективность превышает 30 г/Вт.

Весь беспилотник — это фактически электростатический двигатель с обвесом из солнечной батареи и высоковольтного преобразователя. Статор двигателя представлен 64 углеродными пластинами, покрытыми фольгой. Заряды пластин чередуются, чтобы создавать отталкивающие и притягивающие усилия. Ротор также представляет собой кольцо из заряженных пластин, размещённых максимально близко к кольцу из пластин статора. К ротору приделан 10-см пропеллер. В процессе вращения ротора заряд по контактам перетекает от пластин статора к противоположным пластинам ротора и создаёт отталкивающие усилия после его уравновешивания. Скорость вращения лопастей 9-мг беспилотника достигает впечатляющих 15 тыс. об/мин.

У команды учёных остаётся огромный задел для оптимизации всех составляющих «бесконечно» летающей платформы. Они доказали работу концепции, а дальше дело техники.

Калифорнийская компания Infinity Power сообщила, что успешно разработала очень мощную и долговечную атомную батарейку, использующую электрохимическое преобразование радиоизотопной энергии. Общая эффективность атомного источника питания превысила 60 %, тогда как КПД всех созданных ранее атомных батареек составлял единицы процентов. Это откроет новую главу в атомных системах питания, уверен разработчик и рассказал о поддержке властей США.

Источник изображения: Infinity Power

«По сравнению с другими радиоизотопными методами преобразования энергии с низким КПД (<10 %), это самый высокий уровень общей эффективности, когда-либо достигнутый, — сказано в пресс-релизе компании. — Это показывает, что предстоящий коммерческий выпуск радиоизотопных источников питания следующего поколения вселяет огромные надежды».

Новый изотопный источник питания разработан при поддержке Министерства энергетики США. Устройство можно масштабировать от нановаттной до киловаттной мощности, обеспечивая питанием широчайший спектр электроники от имплантируемых в тело человека медицинских приборов до снабжения энергией отдалённых баз, включая космические.

Высокая эффективность преобразования распада изотопов в электрическую энергию означает, что радиоактивного материала нужно будет меньше и его выбор не так ограничен, как в случае современных полупроводниковых радиоизотопных источников питания. «Крошечное устройство в виде ячейки «монетка» может обеспечивать десятки милливатт энергии более 100 лет», — утверждает разработчик. Это на два порядка больше энергии, чем в случае представленной в начале 2024 года китайской атомной батарейки такого же масштаба.

«Наши цели — способствовать успешному запуску этого открытия и начать новую главу в истории революционных решений для атомных накопителей энергии», — заявил генеральный директор Infinity Power Чжэ Квон (Jae Kwon).

Отказоустойчивость интернета как сетевой инфраструктуры поражает, если не знать, что она разрабатывалась для сохранения связи в зонах ведения боевых действий. Нечто подобное американские учёные решили создать для сетей электроснабжения с упором на микросети на возобновляемых источниках энергии и системы накопления.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Выбор микросетей на возобновляемых источниках энергии был очевиден — они не зависят от внешних поставок энергоресурсов для производства электрической энергии и даже в случае каких-либо аварий смогут работать локально. Поэтому главной задачей было создание архитектуры и протоколов для обхода или изоляции повреждений на линии и балансировки выдаваемой и потребляемой мощности. Также важным моментом стала защита от кибернетических атак, что сегодня вообще не должно вызывать вопросов.

Сообщается, что поставленная задача в основном была решена группой исследователей из Сандийских национальных лабораторий (Sandia National Laboratories) — одной из 16 национальных лабораторий под управлением Министерства энергетики США. Они разработали протоколы и алгоритмы для управления микросетями, включая работу программируемых сетевых реле.

Платформа по обеспечению отказоустойчивого энергоснабжения сама оценивает повреждения на линиях или оборудовании, а также вырабатываемую и потребляемую мощность. Она также может подключаться к общей сети электроснабжения, но в случае перегрузки будет управлять не возможностями инвертора, а начнёт отключать менее важных потребителей, например, частные домохозяйства, отдавая предпочтение больницам и другим критически важным структурам. Кроме того, протокол предусматривает разрывы нежелательных закольцовок, которые могут появиться при обрывах и восстановлении энергоснабжения.

Интересно отметить, что разработать алгоритм реконфигурации сети электроснабжения помогло программное обеспечение для сферы автоматизированного проектирования. Представленные учёными алгоритмы на примере трёх небольших взаимосвязанных микросетей позволили локализовать неполадки, в том числе повреждённые поваленными деревьями линии электропередач и повреждения на электростанции, а затем восстановить электроснабжение основных объектов инфраструктуры.