Немецкие инженеры создали подводных роботов с искусственными жабрами для длительных океанических исследований

Инженеры из немецкого исследовательского центра Helmholtz-Zentrum Hereon разработали энергетическую систему для автономных подводных аппаратов, которая использует искусственные «жабры» для извлечения кислорода из морской воды. Технология позволяет значительно увеличить время автономной работы океанских планеров — роботов, собирающих важные данные на глубинах до 1000 метров.

Океанские планеры оснащены датчиками для измерения температуры, давления, солёности, концентрации кислорода и течений. Эти устройства значительно упрощают проведение измерений в труднодоступных районах океана и являются более экономичными по сравнению с исследовательскими судами. Однако их эффективность ограничивалась использованием литиевых батарей, требующих соблюдения строгих правил безопасности при транспортировке.

Доктор Лукас Меркельбах и доктор Прокопиос Георгопанос предложили решение этой проблемы, разработав систему, использующую водород в качестве источника энергии. Созданная система включает топливный элемент, вырабатывающий электричество из водорода и кислорода. Водород хранится в безопасном контейнере с металлогидридами, а кислород извлекается из воды с помощью специальной силиконовой мембраны, работающей как искусственные жабры. Прототип содержит 38 мембранных рам с общей площадью поверхности 3,0 м². Кроме того, система является перезаряжаемой, что обеспечивает низкие эксплуатационные расходы.

Принцип работы основан на градиенте парциального давления кислорода: когда топливный элемент потребляет кислород, его давление в циркулирующем воздухе снижается, что вызывает диффузию кислорода через мембраны. Эксперименты подтвердили эффективность такого подхода.

Учёные провели серию испытаний, изменяя расход воды и электрическую нагрузку на топливный элемент. Результаты показали, что система способна достигать равновесия, при котором потребление кислорода топливным элементом компенсируется поступлением кислорода через мембраны из окружающей воды. Для анализа полученных данных авторы разработали модели, которые позволили визуализировать поток воды в модуле и выявить неоднородности, влияющие на эффективность переноса кислорода.

Экспериментально определённое значение проницаемости мембраны оказалось выше, чем требовалось для соответствия CFD модели. Учёные объясняют это образованием конденсата на поверхности мембран, что снижает эффективную проницаемость. Новая энергетическая система имеет ряд преимуществ перед существующими решениями.

Несмотря на успешные испытания прототипа, учёные видят потенциал для дальнейшего улучшения системы. Они предлагают оптимизировать конструкцию мембранного модуля, уменьшив размеры мембран и расположив их ближе друг к другу, подобно структуре жабр у рыб. Это позволит увеличить плотность мембран и, следовательно, поток кислорода на единицу площади.

Георгопанос и Меркельбах уже запатентовали свою новую энергетическую систему и планируют продолжить её оптимизацию в рамках проекта MUSE. Этот совместный проект с Институтом Альфреда Вегенера, Центром полярных и морских исследований имени Гельмгольца в Бремерхафене и Центром океанических исследований имени Гельмгольца GEOMAR в Киле направлен на развитие морских технологий и инфраструктуры.

Новая технология обещает сделать изучение мирового океана более эффективным и экологичным, что может привести к значительному прогрессу в понимании океанов и их роли в глобальных климатических процессах.