Robots kunnen nu metaal ‘eten’ voor energie

Het onderzoek is gepubliceerd in ACS Energy

Batterijen slaan energie efficiënt op, maar ze zijn zwaar en hebben een beperkte capaciteit. Oogstsystemen halen energie uit de omgeving, maar ze kunnen alleen onder bepaalde omstandigheden werken en kunnen de energie niet snel bruikbaar maken. De Mas werkt als een accu en een oogsttsysteem. Het levert kracht door een reeks chemische bindingen herhaaldelijk te vormen en breken. De stroom wordt geleverd door de energie in de omgeving van het apparaat, in dit geval door de chemische bindingen in het metaal en de lucht rondom.

De onderzoekers denken dat hun apparaat de basis kan zijn voor een nieuw paradigma in de robotica. Machines kunnen blijven werken door metaal te zoeken, te ‘eten’ en de chemische binding te breken voor energie, net zoals mensen voedsel eten voor energie.

De technologie waaruit robothersenen bestaan en de technologie die ze aandrijft, zijn niet op op een vergelijkbare manier schaalbaar. Bij het verkleinen van individuele transistors kan de chip meer rekenkracht leveren in een kleiner pakket. Maar batterijen werken niet zo. Met kleinere batterijen ligt de dichtheid van chemische bindingen vast en zijn er minder bindingen om te verbreken. Het rangschikken van de batterijen lost dit probleem niet op. Grotere batterijen zijn zwaarder en de robot moet compenseren voor het gewicht, zodat de extra energie wordt verspild. De enige manier om dit te doorbreken, is volgens het team door te zoeken naar chemische bindingen.

Mas begint met een kathode die is aangesloten op het apparaat als het stroom levert. Een plak hydrogel onder de kathode geleidt elektronen tussen het metalen oppervlak en de kathode via watermoleculen. De hydrogel werkt als een elektrolyt, dus elk metalen oppervlak dat het aanraakt, fungeert als de kathode van de batterij en voedt het apparaat.

Om Mas te testen, verbonden de onderzoekers het met een klein gemotoriseerd voertuig. Het voertuig sleepte de hydrogel mee, oxideerde de metalen oppervlakken waarover het reisde en liet een laag roest achter. Het was uitgerust met een klein reservoir dat continu water in de hydrogel afvoerde om uitdroging te voorkomen. Het team testte Mas op zink en roestvast staal en ontdekte dat verschillende metalen verschillende energiedichtheden geven, afhankelijk van hun oxidatiepotentieel. Oxidatie vindt alleen plaats binnen 100 micron van het oppervlak.

De onderzoekers stellen dat Mas 13 keer de energiedichtheid heeft van een lithium-ionbatterij en dat het apparaat alleen de hydrogel en kathode hoeft te dragen.