
Badania oceanograficzne odgrywają kluczową rolę w zrozumieniu zmian klimatycznych, ochronie ekosystemów morskich i monitorowaniu zanieczyszczeń. W ostatnich latach podwodne szybowce stały się niezastąpionym narzędziem w eksploracji głębin. Jednak ich rozwój był ograniczany przez problemy z zasilaniem. Przełomem okazało się stworzenie systemu, który umożliwia pobieranie tlenu z wody morskiej i zasilanie ogniw paliwowych. Ta innowacja otwiera nowe możliwości dla długotrwałych misji podwodnych, jednocześnie eliminując wiele ograniczeń związanych z tradycyjnym zasilaniem.
Podstawowym problemem w zasilaniu podwodnych szybowców była dotychczas konieczność stosowania baterii litowych. Choć wydajne, mają wiele wad: są wrażliwe na ciśnienie, mogą ulec uszkodzeniu w kontakcie z wodą morską, a ich transport i utylizacja podlegają surowym regulacjom.
Podwodne szybowce – przyszłość badań oceanograficznych
Podwodne szybowce, dzięki swojej ekonomiczności i zdolności do wykonywania długich misji, stały się nieocenionym narzędziem w badaniach oceanograficznych. Poruszają się za pomocą napędu o zmiennej pływalności, co pozwala im przemieszczać się na tysiące kilometrów i zanurzać na głębokości do 1000 metrów. Są wykorzystywane do monitorowania warunków oceanicznych, wykrywania zanieczyszczeń, a nawet do celów militarnych. Jednak ich piętą achillesową jest zasilanie.
„Sztuczne skrzela” – jak działają i dlaczego są przełomowe?
Odpowiedzią na te wyzwania są sztuczne skrzela opracowane przez naukowców z Helmholtz-Zentrum Hereon.
Technologia ta stanowi przełom w dziedzinie zasilania podwodnych pojazdów. Dzięki wykorzystaniu innowacyjnych membran polimerowych, które efektywnie separują tlen z wody morskiej, możliwe jest zasilanie ogniw paliwowych bez konieczności transportowania ciężkich zbiorników z tlenem. Proces ten naśladuje naturalne mechanizmy oddychania ryb, co czyni go zarówno efektywnym, jak i przyjaznym dla środowiska. System wykorzystuje zaawansowaną membranę z polimeru silikonowego, która przepuszcza tlen, jednocześnie blokując wodę. Dzięki różnicy stężeń tlenu po obu stronach membrany, atomy tlenu mogą swobodnie migrować, by zasilać ogniwa paliwowe. W procesie tym wodór i tlen łączą się, wytwarzając energię elektryczną, a jedynym produktem ubocznym jest woda.
Dzięki opracowanej technologii podwodne szybowce mogą działać znacznie efektywniej, dłużej i bezpieczniej.
Ogniwa paliwowe – ekologiczne i wydajne rozwiązanie
Ogniwa paliwowe, zasilane wodorem i tlenem, są nie tylko bardziej wydajne, ale również przyjazne dla środowiska. Wodór można łatwo przechowywać w specjalnych pojemnikach, a tlen jest pobierany bezpośrednio z wody morskiej dzięki syntetycznym membranom. Proces ten jest całkowicie bezpieczny dla ekosystemów morskich, co czyni go idealnym rozwiązaniem dla długotrwałych misji badawczych.
Według projektantów modułowa konstrukcja systemu może skutecznie dostosować się do zróżnicowanych warunków środowiska podwodnego, takich jak zmiany temperatury wody, poziomu zasolenia czy ciśnienia, zapewniając nieprzerwane pozyskiwanie tlenu z otoczenia. Co więcej, symulacje z zakresu obliczeniowej dynamiki płynów (CFD) pozwalają na zoptymalizowanie przepływu wody wokół przepuszczalnej membrany, co zwiększa wydajność całego układu.
Oprócz samej membrany system został wyposażony w zaawansowany mechanizm zarządzania termicznego, który skutecznie odprowadza nadmiar ciepła generowanego przez ogniwo paliwowe oraz, co może wydawać się paradoksalne, przez baterię litową, pełniącą funkcję magazynu energii w momentach szczytowego zapotrzebowania.
Testy przeprowadzone w warunkach laboratoryjnych wykazały, że system osiąga współczynnik konwersji na poziomie 50%, co jest porównywalne z tradycyjnymi metodami przechowywania tlenu w środowisku podwodnym.

Inspiracja naturą od dawna napędza rozwój technologii
„Sztuczne skrzela” są doskonałym przykładem biomimetyki – dziedziny nauki, która czerpie pomysły z rozwiązań stosowanych przez organizmy żywe. Tak jak ryby pobierają tlen z wody, tak samo podwodne roboty mogą teraz korzystać z tego zasobu, eliminując potrzebę skomplikowanego przechowywania tlenu.
Opracowana przez naukowców przełomowa technologia, zrewolucjonizuje sposób zasilania podwodnych pojazdów. Dzięki wykorzystaniu zaawansowanych membran możliwe stanie się pobieranie tlenu bezpośrednio z wody morskiej i zasilanie ogniw paliwowych. Rozwiązanie to nie tylko zwiększa efektywność i bezpieczeństwo misji podwodnych, ale także przyczynia się do ochrony środowiska. Co więcej, otwiera ono nowe możliwości w badaniach oceanograficznych, umożliwiając dłuższe i bardziej zaawansowane ekspedycje. W świecie, gdzie każde rozwiązanie musi być ekologiczne i efektywne, „sztuczne skrzela” są krokiem w przyszłość, który może zmienić sposób, w jaki eksplorujemy oceany.
Źródło: Helmholtz-Zentrum Hereon
Badania opublikowano w czasopiśmie Advanced Science .