Rafhlaðan – Framtíðar orkugjafi..

Farsíminn þinn er með eina sem og fartölvan, og brátt kann bíllinn þinn að vera knúinn af rafhlöðum. Rafhlöður er hvarvetna að finna í daglegu lífi okkar og í rafvæddu samfélagi framtíðar munum við reiða okkur enn meira á geymslu rafmagns. En núverandi rafhlöður duga ekki til. Þær eru ekki nægjanlega öflugar og missa of mikla hleðslu með tímanum – og þær geta jafnvel sprungið. Meðan þróun á handfrjálsum rafbúnaði hefur leitt af sér hraðvirkari tölvur og klókari farsíma hefur þróun rafhlaðna ekki getið af sér sambærilegan árangur.

Leiðandi sérfræðingar eru sammála um að úr þessu þurfi að bæta. Forstöðumaður deildar fyrir rannsóknir á rafhlöðum við Argon National Laboratory í Illinois, Gary Henriksen, er einn þeirra.

Þörf er á miklum rannsóknum til að tryggja að betri rafhlöðutækni komist á markað í fyrirsjáanlegri framtíð.

Vísindamenn og fyrirtæki um heim allan kosta milljörðum til við þróun nýrrar rafhlöðutækni. Samvinnuverkefni milli norskra vísindamanna og svissnesks fyrirtækis hefur leitt til þróunar á nýrri ofurrafhlöðu sem er þrisvar sinnum skilvirkari, mun öruggari og kostar helming af hefðbundinni litínjónarafhlöðu. Síðast en ekki síst notar rafhlaðan hreint loft við efnahvörf sín og er því óskaðleg mönnum og umhverfi. Orkuþéttni hennar er miklu meiri en í endurhlaðanlegum rafhlöðum nú til dags og boðar það góð tíðindi fyrir bílaframleiðendur.

Tæknin að baki zínk-loftrafhlöðunni er þó ekki ný af nálinni. Viðlíka rafhlöður hafa verið á markaði í t.d. heyrnartækjum um langt skeið og þegar upp úr 1980 þótti tækni þessi lofa afar góðu, en það er ekki fyrr en nú sem vísindamönnum hefur tekist að þróa gerð þess sem má endurhlaða. Svissneska fyrirtækið ReVolt væntir þess að rafhlöðurnar komi á markað innan tíðar.

First Algae-Powered CarSænskir vísindamenn við háskólann í Uppsala hafa komist að því að nota má grænþörunga í rafhlöður. Með því að þekja frumur í þörungnum cladophora með 50 nanómetra þunnu leiðandi lagi má umbreyta þörungnum í rafhlöðu.

„Von mín er að opna nýtt svið fyrir notkun rafhlaðna. T.d. í fötum þar sem rafhlöðurnar geta skilað orku í rafbúnað eða í vefnaði þar sem rafhlöður mega ekki innihalda málma eins og t.d. litín,“ segir forkólfur rannsóknarhópsins, María Strømme. Þörungarafhlaðan er ekki sérlega öflug en getur veitt straum í rafbúnað á umbúðum, í klæði eða fyrir einnota tól á sjúkrahúsum. Slíkar örrafhlöður munu verða mikilvægar í framtíðinni þegar sífellt fleiri hlutir munu innihalda rafbúnað. Mjólkurfernan upplýsir geymsluþol. Bolurinn gæti verið með skjá. Allt frá mjólkurkúm til nagla gæti verið með RFID-flögur sem þurfa rafhlöður.

Það eru þó einkum rafbílar sem þurfa á betri rafhlöðum að halda. Og nýjar og betri litínjónarafhlöður eru kannski haldbesta lausnin til skemmri tíma að mati margra sérfræðinga. A.m.k. næstu einn eða tvo áratugina. Niðurstöður af núverandi rannsóknum munu að líkindum gera litínjóna-tæknina mun skilvirkari og áreiðanlegri.

Forseti Bandaríkjanna lagði heilan 1,5 milljarð dala til rannsókna á þessu sviði árið 2009 og þessi sami forseti var meðal hinna fyrstu til að sjá dæmi um komandi tækni þegar vísindamenn við MIT sóttu heim Hvíta húsið og sýndu þar rafhlöðu sem er byggð upp af veirum. Rafhlaðan virkar með sama hætti og hefðbundin litínjónarafhlaða en byggir á veirunni M13 og það betrumbætir líftíma og skilvirkni litínjónarafhlöðunnar, svo hún verður afar heppileg fyrir rafbíla og fartölvur.

Jafnframt vinnur hópur vísindamanna við Graz University of Technology saman með rafhlöðuframleiðandanum Varta að þróun nýrrar gerðar litínjónarafhlaðna sem nýtir kísil í staðinn fyrir grafít. Kísill er mun heppilegri enda getur hann geymt allt að 10 sinnum meira rafmagn en grafít.

Tölvuframleiðandinn IBM hefur komið á laggirnar verkefni sem er ætlað að gera litínjónarafhlöður handa rafbílum miklu skilvirkari en þær sem við notum nú á dögum innan 5 ára, meðan MIT hefur hins vegar þróað tækni sem getur stytt hleðslutíma litínjónarafhlaðna í fáeinar sekúndur – nokkuð sem gæti skipt sköpum fyrir framtíð rafbíla.

Nánast allir helstu bílaframleiðendur heims, allt frá Chrystler í BNA til Toyota í Japan, vinna að nýrri rafhlöðutækni og General Electric leggur mikið í þróun nýrra natríum-nikkelrafhlaðna fyrir samgöngur.

En þrátt fyrir að venjulegar rafhlöður verði skilvirkari er ennþá þörf á róttækari hugmyndum eigi rafhlöður framtíðar að uppfylla allar kröfur bílaframleiðenda.

Eitt svið sem felur í sér mikla möguleika eru atóm-rafhlöður. Þegar í upphafi síðustu aldar tóku fræðimenn smám saman að þróa rafhlöðutækni sem nýtir þá orku sem myndast þegar geislavirk efni brotna niður. Síðar voru rafhlöðurnar notaðar í gervihnöttum og gangráðum, þar sem langur líftími rafhlaðna er nauðsynlegur.

Nú hafa sérfræðingar við University of Missouri þróað nýja gerð atómrafhlaðna sem eru á stærð við litla mynt og hafa líftíma sem nemur meira en 100 árum.

Forystumaður þeirra, Jae Kwong, hefur verið verðlaunaður fyrir rannsóknir sínar á þessu sviði, en samkvæmt honum er helsta áskorunin kannski hreint ekki af tæknilegum toga: Flestir líta nefnilega á kjarnorku sem skaðlega og þrátt fyrir að tækni þessi sé þegar nýtt víðs vegar og er samkvæmt Kwong hættulaus, gæti reynst þrautin þyngri að sannfæra almenning um að öruggt sé að ganga um með atómrafhlöður í armbandsúrinu.

Önnur rafhlöðutækni sem lofar góðu kemur frá University of Illinois í BNA þar sem vísindamenn hafa hannað rafhlöðu sem nýtir sér skammtaáhrif. Fyrir rannsóknarhópnum fer Alfred Hubler sem segir slíka skammtarafhlöðu geta geymt allt að tífalda þá orku sem er að finna í rafhlöðum okkar nú til dags. Ef hún virkar þá í raun.

„Skammtarafhlaða á stærð við rafhlöður fyrir fartölvur myndi innihalda svo mikla orku, og vera fær um að leysa hana svo skjótt úr læðingi, að lyfta mætti 50 tonna þungum hlut 20 metra í loft upp,“ segir hann.

Skammtarafhlaðan er enn sem komið er aðeins til á fræðilega sviðinu og margir sérfræðingar telja að framleiðsla á rafhlöðunni gæti reynst miklu erfiðari heldur en fræðin segja til um.

En Hubler er bjartsýnn. Samkvæmt honum er framleiðsla á skammtarafhlöðu rétt eins einföld og smíði á tölvuflögum og þarfnast einungis skaðlausra efna. Hann telur að fyrsta frumgerð gæti komið fram á sjónarsviðið í ár. Sé sú raunin er framtíð rafhlaðna sannarlega björt. Með komandi tíma væri kannski unnt að knýja þotur með rafhlöðum.