En brændselscelle i din telefon

I en industripark i Los Alamos, NM, ikke langt fra laboratoriets fødested for atombomben, sidder Robert Hockaday i det rodede laboratorium i sit startup-firma Manhattan Scientifics og holder en plastik i visitkortstørrelse. Nærmere inspektion viser et printkortlignende mønster af sort platin og ruthenium trykt på hver side. Indretningen er indmaden i et fem centimeter gange 13 centimeter kraftværk, der genererer sin egen elektricitet ved hjælp af methanol som brændstof. Det ser måske ikke ud af meget ved første øjekast, men det er et medlem af en ny klasse af bittesmå kraftpakker, der er klar til at eksplodere på markedet - og som måske blot kan udslette en af ​​verdens mest allestedsnærværende teknologier, batteriet.

Disse miniaturekraftværker, kaldet mikrobrændselsceller, lover et enormt kraftboost for bærbar elektronik lige fra mobiltelefoner til bærbare computere til fremtidige generationer af strømkrævende, web-aktiverede håndholdte enheder. Nutidens bedste lithium-ion-mobiltelefonbatterier giver i gennemsnit kun fire timers taletid; mikrobrændselsceller kan give op til 20 timers taletid. Og derefter, i stedet for at tilslutte mobiltelefonen natten over eller skifte batterier, ville du bare sætte en ny methanolpatron i.

Denne historie var en del af vores november 2001-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Brændselsceller er naturligvis allerede ved at sprænge ud på markedet i andre former - og i langt større størrelser. Busser drevet af brændselsceller gør deres første optræden, og biler er næste ( se Fyld 'er op med brint , TR november/december 2000 ). Brændselsceller, der giver backup strøm til hjem og kontorer, bliver også tilgængelige ( se Magt til folket , TR maj 2001 ). Electrolux har endda lavet en prototype på en ledningsfri brændselscelle støvsuger. Blandt andre fordele bruger brændselsceller let tilgængelige energikilder - nemlig brint eller methanol - og producerer kun vand, kuldioxid og varme som affaldsprodukter.

Nu forbereder industrien sig på at gøre brændselsceller små nok til forbrugerelektronik. At bygge praktiske brændselsceller, denne lille enhed, der producerer en tiendedel af en watt til 50 watt, giver enorme tekniske og materialemæssige udfordringer, men markedsmuligheden er enorm. Bærbare brændselsceller har det reelle potentiale til at være rentable på et kortere tidsrum end enten stationære eller automotive brændselscelleapplikationer, siger Atakan Ozbek, vicepræsident for energiforskning hos Allied Business Intelligence, et teknologiforskningsfirma i Oyster Bay, NY. Om fem år kan dette potentielt være et marked på milliarder dollar om året. Denne industri kommer til at sparke.

Ikke overraskende er et kapløb om at kommercialisere teknologien i fuld gang og omfatter alle fra Motorola og den koreanske elektronikgigant Samsung til startup-virksomheder som Hockadays. Konkurrenterne satser på forskellige designs - og endda lidt forskellige kemier - men de deler et fælles mål: at tage en bid af verdensmarkedet for genopladelige batterier på 6 milliarder dollars.

Den første vellykkede anvendelse vil sandsynligvis være metanolbrændselsceller, der producerer cirka en tiendedel af en watt og kan genoplade konventionelle batterier, hvilket befrier forbrugerne fra instrumentbrættets lighter eller stikkontakten i væggen. Det næste vil være brændselsceller, der er små nok til faktisk at passe i batterirummene på eksisterende telefoner og alligevel kraftige nok - en watt til mobiltelefoner, 50 watt til bærbare computere - til at blive brugt til direkte strøm.

Endnu længere ude i horisonten vil mikrochips blive direkte drevet af indbyggede brændselsceller. Disse brændselsceller vil give en velsignelse for miniaturisering ved at fjerne behovet for separate strømkilder. De bliver specialdesignet til at give præcise strømbehov. Og produktionsomkostningerne bør falde, når både chip og strømkilde er fremstillet som én enhed. Selvdrevne chips kan til gengæld muliggøre en fremtidig generation af selvforsynende gadgets, såsom små netværkssensorer, der kan fungere i fjerntliggende områder, detektere forurenende stoffer, biowarfare-toksiner eller andet, der skal detekteres, og sende dataene ud i flere måneder.

At blive lille

Problemet med konventionelle batterier er, at de er afhængige af elektrokemi, der dateres til slutningen af ​​det 18. århundrede, og de har nogle alvorlige begrænsninger. Mest bemærkelsesværdigt, når forsyningen af ​​kemikalier inde i batteriet er færdig med at reagere, går batteriet dødt. Du skal enten tilslutte den til en oplader, der er tilsluttet stikkontakten i væggen, eller smide den væk - helst i papirkurven på grund af giftige ingredienser som cadmium og kviksølv. Og batterier bliver sandsynligvis ikke meget bedre; stort set alle kemiske kombinationer er blevet prøvet, siger Shimshon Gottesfeld, teknologichef hos Albany, NY-baserede Mechanical Technology, et firma, der udvikler mikrobrændselsceller. Selv de bedste batterier har ringe chancer for at gå meget højere i den effekt, de kan producere efter vægt, siger han.

Brændselsceller er mere komplekse, men de har grundlæggende fordele. Så længe der er tilførsel af brint eller methanol, vil brændselscellen producere elektricitet. Desuden, takket være de højenergibrændstoffer, de bruger, producerer brændselsceller mere energi til deres vægt, end batterier nogensinde vil.

Men brændselsceller er svære at konstruere, og de mindre er hårdeste af alle. Designudfordringerne for mikrobrændselsceller starter med valget af brændstof. Brint er upraktisk; det er en gas og skal komprimeres ved meget høje tryk, og selv da kræver det tanke for store til bærbar elektronik. Methanol/vand-blandinger opbevares lettere i en lille brændselscelle, men brugen af ​​dem skaber nye tekniske forhindringer. For at håndtere et flydende brændstof kræves små pumper og rør. Så er der spildevandet. Ikke engang de mest ivrige mobiltelefonbrugere ville tolerere strømforsyninger, der drypper på deres skuldre, så brændselsceller må fordampe vandet. Alle brændselsceller skaber varme; de små versioner fungerer ved alt fra 15 grader C til en skoldning på 60 grader C. Selvom dette giver et middel til at fordampe spildevand, kræver det også den rette balance mellem isolering og udluftning.

At proppe alt dette i en smart pakke på størrelse med et par AA-celler er en rigtig udfordring. Og i betragtning af den hårde konkurrence om at kommercialisere en mikrobrændselscelle, er de fleste virksomhedsspillere usikre på, hvordan de er begyndt at løse disse problemer. Der er en masse holdninger blandt virksomhederne, men det er, hvad du ville forvente i de tidlige stadier, når de forsøger at fastholde deres positioner, siger brændselscelle-overvåger Chris Dyer, redaktør af Journal of Power Sources. Men, tilføjer han, dette er ikke røg og spejle. Det er en rigtig teknologi og kræver bare noget smart ingeniørarbejde for at få det til at fungere.

De fleste iagttagere forudser, at den første mikrobrændselscelle på butikshylderne vil være en opladningsenhed, der bruger methanol. Et halvt dusin virksomheder arbejder på variationer over dette tema, herunder Manhattan Scientifics. I Hockadays design er brændselscellekomponenterne ikke arrangeret i en stak, som traditionelle brændselsceller til biler. De er snarere lagt ud side om side, som komponenter på en mikroprocessor, hvilket gør dem modtagelige for halvlederfremstillingsteknikker.

Mechanical Technology har allerede været med til at stifte et firma, der sælger brændselscellekraftværker på størrelse med køleskabe og kommercielle boliger. Nu retter Mekanisk Teknologi sig mod mindre ting, startende med opladningsenheder. Vi er meget optimistiske med hensyn til udsigterne til at kommercialisere dette, siger Mechanical Technologys Gottesfeld, tidligere direktør for Los Alamos-laboratoriets brændselscelleforskningsprogram. Vi ser ikke kun på opladere, men et komplet system til mobiltelefoner. Vi ser også på andre muligheder som bærbare computere, legetøjsmarkedet og elværktøj.

Motorola og Koreas Samsung udvikler også aktivt prototyper. Hyuk Chang, en hovedforsker ved Samsung Advanced Institute of Technology uden for Seoul, siger, at virksomhedens mål er at demonstrere fungerende modeller om et år, igen med opladningsenheder førende. Jeg tror, ​​det vil tage yderligere to år at komme fra laboratoriet i kundernes hænder, siger Chang. Det svære spørgsmål er, hvad der bliver den første ansøgning.

Hos Motorola følger brændselscelleprojektleder Jerry Hallmark en strategi, der lover mindre brændstofpatroner. Han siger, at virksomheden har udviklet bittesmå væskesystemer, der kontinuerligt vil genbruge vandet i methanol-vand-brændstofblandingen. Udskiftningspatroner kunne bare bære ufortyndet methanol. Brændselscellen kan ikke køre på koncentreret methanol; det har brug for en fortyndet opløsning. Men du vil ikke have et fortyndet brændstof med, siger han. Hallmark tilføjer, at det sandsynligvis vil tage tre til fem år for enhver virksomhed - inklusive Motorola - at begynde at sælge et produkt.

At pakke en punch

Hvad Motorola og de andre selskaber dog mest af alt ønsker, er batterilignende brændselsceller, der klikker direkte på telefoner og anden elektronik, for at drive dem direkte. Mobiltelefonen er en af ​​de sværeste, for folk vil gerne udskifte deres batteri med en brændselscelle af samme størrelse. Jeg ville elske at kunne give dem det, men vi er langt fra at have sådan noget, siger Hallmark.

For at realisere denne vision følger virksomhederne forskellige strategier. New York City-baserede Medis Technologies mener, at det kan lave en brændselscelle, der kan erstatte mobiltelefonens batteri, hvilket giver 20 timers mobiltelefontaletid og hundredvis af timers standby på en enkelt brændstofpatron. Robert K. Lifton, Medis' administrerende direktør, siger, at virksomheden bruger en proprietær flydende elektrolyt, der kan fungere med højere koncentrationer af brændstof - og give tilsvarende mere kraft end konventionelle alternativer. Men Medis siger ikke præcis, hvordan det fungerer. Vi har omkring 17 patenter indgivet, og vi venter på at få dem, før vi diskuterer detaljerne, siger Lifton. Forretningsstrategien kunne dog ikke være mere tydelig: det er barberbladstilgangen. Gevinsten for os ville være genopfyldningerne, på omkring $1 pr. genopfyldning, forklarer Lifton. Han siger, at Medis vil have en prototype ved udgangen af ​​dette år.

En anden strategi involverer at bære methanol som brændstof og derefter omdanne det til brint, når det er nødvendigt. Fordi brint pakker mere vægt end methanol, kunne ordningen producere mere kraftfulde og effektive brændselsceller. Robert Savinell, en kemiingeniørprofessor ved Case Western Reserve University, forsøger at bygge netop sådan en lille brændselscelle; indtil videre har hans gruppe bygget en prototype på 25 kvadratcentimeter.

Den kemiske omdannelse af methanol til brint - ofte kaldet reformering af ingeniører - er enkel nok teknologisk, undtagen når du prøver at gøre det på en enhed på størrelse med miniaturebilleder. Folk har bygget reformere i stor skala til kilowatt-applikationer, så spørgsmålet er ikke, om det virker. Spørgsmålet er, om du kan gøre det lille nok til at passe i en mobiltelefon eller bærbar computer, siger Motorolas Hallmark.

Chip Power

Ud over den dag, hvor elektronik kommer med indbyggede brændselsceller i stedet for batterier, tårner en anden teknologisk grænse sig op: at bygge brændselsceller direkte på chips. Allerede nu har Savinells gruppe hos Case Western bygget en prototype på kun 1,5 centimeter gange to centimeter. Hans gruppe brugte mikrofremstillingsteknikker til at printe fem til seks lag brændselscellekomponenter - membranen, elektroden og katalysatoren - på keramik- og siliciumwafers og for nylig på et fleksibelt polymermateriale. I denne skala bruger han brint som brændstof, opbevaret som natriumborhydrid og frigivet med en platinkatalysator. Håbet er at give strøm på en chip med en sensor og en sender - en fuldstændig selvforsynende enhed, siger Savinell.

Forskere ved Georgia Institute of Technology, MIT, Stanford University og Sandia National Laboratories i Livermore, CA, arbejder også på at bygge brændselsceller i chipskala. For at få disse enheder til at køre på letopbevaret methanol, fremstiller Paul A. Kohl, professor i kemiteknik ved Georgia Tech, små kanaler på silicium, som methanol og vand kan passere igennem. Disse kanaler kunne skabes på en konventionel silicium-chip samlebånd. Man kunne designe brændselscellen, så den leverer præcis den strøm, man ønsker, og den har den størrelse, man ønsker, siger Kohl.

Ud over at krympe brændselsceller til chip-skalaen, er et andet langsigtet mål at gøre det muligt for brændselsceller direkte at udnytte brintkraften, men undgå højtrykstanke. En ambitiøs tilgang ville gøre brug af kulstofnanorør: rørlignende kulstofmolekyler, der har evnen til at lagre og frigive brint. Forskere forestiller sig nanobeholdere fulde af brint, der kan holde brændselscellerne brummende, men dette vil kræve gennembrud inden for materialer og fremstillingsmetoder, siger Michael Heben, leder af en gruppe nanostrukturerede materialer ved det amerikanske energiministeriums nationale laboratorium for vedvarende energi i Golden, CO. Det kan være, at nogen sætter fingeren på det her i den næste uge, eller det kan tage 20 år, siger han.

De mest troværdige, reproducerbare resultater til dato, siger David Tomanek, professor i fysik ved Michigan State University, blev opnået af Mildred Dresselhaus, en fysiker ved MIT, og kolleger ved det kinesiske videnskabsakademi, som rapporterede at finde en måde, hvorpå kulstofnanorør kan opbevares. 4,2 procent af deres vægt i brint. Det kan være nok til mikrobrændselsceller, siger Tomanek. Den vil være lettere, mindre og sikrere end en tank, selv med fire procent, og det kan gøres om et par år. Men jeg er optimist, siger han. Dresselhaus selv er mere bevogtet: I øjeblikket har vi ikke tryllestaven. Vi har en åbning, der siger: Det her er noget, man skal kigge efter.’ Næste skridt mangler stadig. Det næste skridt kunne komme inden for dette årti, tilføjer hun, men vi skal have et stort gennembrud.

Andre elektronikgiganter eksperimenterer også med kulstofmolekyler for at forbedre mikrobrændselsceller. NEC har rapporteret at bruge hornformede molekyler kendt som carbon nanohorn som et substrat for platinkatalysatorer, hvilket giver mere overfladeareal til stærkere kemiske reaktioner og mere kraft. Og Sony siger, at de bruger fodbold-formede kulstofmolekyler kendt som fullerener - basiskomponenterne i kulstofnanorør - til at konstruere bedre elektrolytter.

I mellemtiden nærmer de første mikrobrændselsceller sig hurtigt på markedet. Naturligvis skal prototyperne løbende finjusteres for at sikre, at brændstof ikke kan lække og for at øge deres effektivitet. Men disse forhindringer er relativt små, siger industriens iagttagere. Batterier havde trods alt også deres del af udviklingsproblemer. De første højenergi-lithiumbatterier havde en tendens til at gå i brand og endda eksplodere. Som enhver mobiltelefonejer ved, blev disse problemer løst.

Der er masser af grunde - faktisk omkring 6 milliarder dollars værd - til at antyde, at det samme vil ske med mikrobrændselsceller, hvilket placerer disse bemærkelsesværdige små kraftpakker i millioner af forbrugeres lommer. Faktisk, efterhånden som mikrobrændselsceller dukker op fra rodede laboratorier som Los Alamos-forposten på Manhattan Scientifics, kan de komme batterier, med deres begrænsede effekt og hovedpine til bortskaffelse af tungmetalaffald, i teknologiens genbrugsspand.

skjule