Vi omgir oss med stadig flere elektroniske duppeditter, og de blir stadig mindre.

Samtidig stilles det stadig større krav til ytelse og til at duppedittene skal være lette å ta med seg. Alle trenger energi for å fungere – og batterier har begrenset levetid.

I en artikkel i InTech nylig presenterer forskere ved Institutt for mikro- og nanosystemteknologi (IMST) ved Høgskolen i Vestfold en oversikt over hva de ser som mulige løsninger på denne utfordringen.

Doktorgradsstipendiat Luca Petricca arbeider med mikro- og nanoteknologi som egner seg for ubemannete luftfartøy i nanoformat – små droner som kan være formet som et lite helikopter, så små at de får plass på en håndflate – da må innmaten lages med mikro- og nanoteknologi.

- Superkapasitatoren med overlegen evne til å lagre energi er løsningen, skriver han i artikkelen.

 Batterier varer ikke evig

Batterier har lenge vært den viktigste energikilden. Men nå går den teknologiske utviklingen av batteriene mye langsommere enn utviklingen av all annen elektronikk.

- Det er derfor grunn til å tro at batteriene på sikt vil få en mindre rolle, dersom ikke noe revolusjonerende skulle skje, mener professor Per Øhlckers, en av de andre forfatterne bak artikkelen.

Batterier har god ytelse og energitettheten er høy, men den begrensete levetiden er en stor ulempe.

 Brenselsceller er en mulig løsning

En annen energikilde er brenselsceller, elektrokjemiske innretninger som omdanner kjemisk energi til elektrisk energi.

De finnes i mange forskjellige varianter. Forskjellen er hva de bruker som drivstoff. De mest lovende i dag er Proton Erstatter Membran brenselceller som bruker hydrogen, og en undergruppe kalt Direkte Metanol brenselceller, som bruker metanol som drivstoff.  Disse cellene er svært miljøvennlige, siden rent vann er det eneste avfallsproduktet.

- Problemet med denne teknologien er at hydrogen må framstilles i fabrikker, med alle de ulempene dette medfører, sier Petricca.

I tillegg er det vanskelig å lagre ren hydrogen. 

- Metanol er mer lovende, og flere bedrifter er allerede på markedet med brenselceller med denne teknologien, sier forskeren.

 Mikro med mye energi

Forbrenningsmotoren er mer enn 150 år, og er den vanligste form for energiforsyning til kjøretøy av ulike slag.

Hovedutfordringen er, ifølge forskerne, å få tilstrekkelig forbrenning på så lite volum som er i mikro- og nanosystemer. I tillegg er varmetapet ved forbrenningen så stort at det kan føre til at systemet kveles.

Mikroturbiner basert på teknologi for MikroElektroMekansiske Systemer (MEMS) har også vært forsøkt. Prinsippet er det samme som for store turbiner som brukes til å produsere hundrevis av megawatt, men nå basert på silisium og fremstilt ved MEMS. Forskere har klart å utvikle en 53 mm stor turbin som bare veide 66g og utviklet 16 watt.

- Man skal derfor ikke se bort fra at mikroturbiner basert på MEMS-teknologi en dag kan brukes som energikilde for bærbar elektronikk og bitte små kjøretøy, sier Petricca.

 Nanomaterialer kan bli viktige

Løsningen ligger imidlertid antakelig i nanoteknologien, mener Vestfoldforskerne.

- Hvis vi klarer å kombinere nanofabrikasjon og nanomaterialer, vil vi kunne komme fram til meget interessante løsninger,for eksempel i form av kondensatorer som lagre for elektrisk energi, såkalte superkondensatorer, sier professor Xuyuan Chen, den tredje av forfatterne bak artikkelen.

- Vi vil da kunne framstille strukturer med svært stor overflate i forhold til massen. Dette er viktig fordi jo større overflate, desto mer akkumulert energi kan superkondensatorstrukturen lagre. Ved hjelp av etsing og deponering vil vi kunne fabrikkere svært komplekse mekaniske strukturer, sier han.

I tillegg vil bruken av slike materialer i prosessen gjøre det mulig å lage film og lag med spesifikke karakteristika, som at noen leder strøm, at noen fordeler trykk, noen mekanisk motstand og så videre.

Det har for eksempel vært mulig å utvikle solceller som er langt mer effektive enn de vi bruker i dag og vi er i stand til å lage nye materialer som karbonnanorør eller grafen, som har revolusjonert elektronikkens verden.

- Forskere har også vist at det er mulig å konstruere tynnfilmbatterier, og å lage fibre som kan lagre energi, såkalte e-tekstiler.

En annen måte å tenke på er at duppedittene vil være i stand til å høste energi fra sine omgivelser, at de altså selv generer den energien de trenger.

 Mye energi, lever lenge

Batterier har flere begrensninger. En standard kapasitator derimot har høy energitetthet, nesten ubegrenset levetid og er rask å lade.  

- En kapasitator er en elektrisk komponent som kan lagre elektrisk energi og gi den fra seg når det er behov for det, forklarer Petricca.

- Vi kan sammenligne det med en liten vanntank. Den enkleste varianten består av to metallplater med et isolerende lag imellom.

Energitettheten er imidlertid for lav til at den kan brukes som primær energikildekilde.

Supervanntank

Superkapasitatoren er en videreutvikling.

- Her bruker vi nanomaterialer og bygger komponenter som kan lagre flere tusen ganger mer energi enn en standardversjon.

Om vi holder oss til vannbildet: Forskerne bygger en supervanntank som kan lagre flere tusen ganger så mye vann – på den samme plassen!

En superkapasitator kombinerer batteriets og kapasitatorens fordeler og utgjør et system med høy energitetthet, den har praktisk talt ubegrenset levetid samtidig som den beholder energitettheten.
 - Mye taler for at vi her har funnet en attraktiv løsning for på framtidas energibehov i mikro- og nanoverdenen, sier Petricca.

Det finnes flere typer superkapasitatorer, og allerede nå kan de etter Petriccas vurdering tas i bruk for eksempel i en bil der den kan supplere batteri eller drivstoff når det er behov for ekstra mye energi til en forbikjøring.

Det er laget prototyper i form av små ferger, busser og biler som demonstrerer at dette fungerer rent teknisk, selv om høy kostnad fortsatt er en utfordring.

Superkapasitatorer lades på svært kort tid, og det er nettopp denne egenskapen kundene og markedet venter på.

Referanse:

 Luca Petricca, Per Øhlckers og Xuyuan Chen: The future of energy storage systems. I: Energy storage : technologies and applications. INTECH 2013 ISBN 978-953-51-0951-8. s. 113-130