С тех времен, когда картографы рисовали драконов и морских чудовищ на окраинах исследованных морей, океаны всегда таили в себе неизведанные тайны. По прошествии столетий мы добились на удивление незначительного прогресса — нанесено на карту лишь около 5% мирового океана.
Автономные подводные аппараты (AUV) и подводные аппараты с дистанционным управлением (ROUV) могут помочь нам исследовать глубже и дальше, чем раньше, но тогда вы сталкиваетесь с другой проблемой — мощностью.
Основное препятствие заключается в коротких циклах подзарядки аккумуляторов и отсутствии постоянных бортовых источников питания. Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи сосредоточены на разработке альтернативных энергетических решений, которые позволяют AUV и ROUV работать без ограничений по режиму погружения или необходимости всплывать для подзарядки. Кроме того, цель состоит в создании источников питания для стационарных подводных датчиков и коммуникационных сетей, которые не зависят исключительно от батарей и не требуют физического троса для подачи питания.
Потенциальным решением является солнечная энергия — солнечный свет может проникать удивительно глубоко в океаны. Если эту энергию можно использовать, то это всего лишь вопрос ее преобразования, и группа исследователей из Нью-Йоркского университета Тандон изучает, как сделать солнечную энергию пригодной для подводных аппаратов.
В новой статье в Nature Photonics под названием “Погружение в подводные солнечные элементы” команда, включающая Джейсона А. Рера и Андре Тейлора из департамента химической и биомолекулярной инженерии, описывает проблемы, с которыми сталкивается эта растущая область.
Хотя технологии морской энергетики, использующие волны, приливы, океанские течения и осмотические силы, обладают некоторым потенциалом, они зависят от местоположения и не обладают портативностью. Выделяется одно исключение — преобразование тепловой энергии океана (OTEC), которое использует температурные градиенты между поверхностью моря и более глубокими водами. Хотя OTEC успешно используется для питания AUV в течение длительного времени, его зависимость от специфических режимов погружения и ограниченная применимость в тропических и субтропических регионах препятствуют внедрению стационарных подводных устройств.
Солнечная энергия, как и на суше, вездесуща, доступна и мощна даже под поверхностью. Солнечный свет остается постоянным и может быть эффективно использован. Видимый свет, особенно в зелено-синей части спектра, может проникать в воду глубиной до 50 метров, обеспечивая достаточное количество энергии для работы основных приборов.
Используя солнечные элементы, становится возможным запитывать стационарные датчики, устройства связи и даже комбинировать солнечную энергию с OTEC для работы AUV на больших расстояниях и истинной автономии. Но солнечные батареи, которые мы используем в настоящее время, могут оказаться не на высоте.
Исследователи изучили потенциал солнечных элементов для применения под водой, выделив примеры успешного внедрения в питание беспилотных летательных аппаратов и устройств связи, а также проанализировав недостатки. В частности, они определили ключевые причины, по которым обычная кремниевая солнечная технология не справляется с подводными условиями — помимо влажности и содержания соли, которые являются врагами электроники в целом, солнечные элементы предназначены для поглощения красного и инфракрасного света, частей спектра, которые не проникают очень далеко в воду.
Альтернативные технологии, такие как фосфид индия галлия (GaInP) и теллурид кадмия (CdTe), продемонстрировали более высокую эффективность и потенциал для оптимизации в конкретных условиях океанской воды. Также рассматриваются солнечные элементы следующего поколения, такие как органические и перовскитные солнечные элементы (OSCs и PSCs).
Поиск идеального поглощающего материала – лишь одна из основных проблем, с которой сталкиваются подводные солнечные элементы. Биообрастание, постепенное накопление органических веществ, включающих микроорганизмы, растения и мелких животных, представляет собой серьезную проблему для различных морских технологий, особенно тех, которые работают в более мелководных районах океана.
Эта корка органического вещества уменьшает доступ света к солнечному элементу, препятствуя фотоэлектрическому процессу и его последующей работе. Более того, проблема распространяется и на сами подводные транспортные средства, где на их корпусах скапливается вещество, увеличивающее вес и создающее гидродинамическое сопротивление. В предыдущих экспериментах загрязнение покрывало более 50 процентов поверхности всего через 30 дней пребывания под водой, что затрудняло работу солнечных элементов.
В статье исследователи также обсуждают практические вопросы проектирования и тестирования таких солнечных элементов. Несмотря на то, что Нью—Йоркский университет Тандон находится всего в нескольких минутах езды на метро от океана, учреждения, не имеющие доступа к воде, не могут легко протестировать какие-либо потенциальные проекты – а живое тестирование солнечных элементов и батарей с использованием потенциально опасных материалов в любом случае было бы нецелесообразным.
Одно из решений, к которому пришли исследователи, состояло в использовании светодиодных ламп для имитации светового спектра, доступного на разных глубинах, вообще без необходимости в воде. Сделав это, они показали, что солнечные элементы на основе кремния превосходят конкурентов на небольших глубинах, но другие элементы были более эффективны на глубине менее двух метров. Исследователи также отмечают несколько других вариантов тестирования.
Хотя эти новые солнечные элементы, специально настроенные для водной среды, находятся только на самых ранних стадиях разработки, вклад исследователей мог бы заложить основу для технологий, которые могли бы пролить свет на наше понимание как солнечной энергии, так и неисследованных морей, которые манили человечество с тех пор, как мы впервые вышли в море.
