Создана микробатарейка для наблюдения за перемещением лососевых

Микробатарейка, изобретенная в лаборатории Сяо
Микробатарейка, изобретенная в лаборатории Сяо

Ученые создали миниатюрную батарейку, заключающую в себе в два раза больше энергии по сравнению с уже существующими аналогами. Новая модель создана специально для отслеживания перемещений лосося из рек к Северо-западной части Тихого океана и во всему миру.

Батарейка представляет собой цилиндр, размер которого немного больше рисового зернышка. Конечно в мире существуют экземпляры мельче, размером с человеческий волос, однако их емкости явно недостаточно для длительной работы. Новая батарейка достаточно миниатюрная для введения в организм лосося. При этом она аккумулирует намного больше энергии, чем модели подобного размера.

Конструкция батарейки, созданной учеными из Тихоокеанской Северо-западной Национальной Лаборатории Министерства энергетики, была недавно представлена в журнале Scientific Reports, сборниках журнала Nature.

Ученым, занимающимся миграциями лосося, батарейка позволяет дольше отслеживать перемещения рыб, а также вживлять своим подопытным менее травматичные импланты. Исследователи могут изучать жизненный цикл рыб, часто в небольших пртоках, что крайне важно. Изобретение также способно проводить сигналы на более длинные расстояния, позволяя следить за рыбой далеко от берега, дамб или глубоко в воде.

«Изобретение коренным образом меняет мир биотелеметрии и открывает возможность изучения более ранних жизненных стадий лосося способами, которые не были возможны прежде», сказал М. Брэд Эппард, биолог рыболовства в США.

«В течение многих лет главным ограничивающим фактором к созданию передатчика был размер батареи. Однако это препятствие было преодолено», добавил Эппард, который управляет программой исследований рыболовства в городе Портленд (США).

Полученная в ходе исследований информация помогает определить оптимальный способ управления дамбами. Три года назад военный Корпус обратился к З. Дэниелу Дэну, инженеру PNNL (Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория США), с просьбой создания передатчика меньшего размера, достаточно маленького, чтобы быть введенным в рыбу не хирургическим путем. Инъекция намного менее агрессивна и травматична для рыбы, это более быстрый и менее дорогостоящий процесс.

«Создание новой батарейки было основной проблемой, которая действительно поглотила нас прошлые три года», сказал Дэн. «У нас не было подобных идей ранее. Или модели были слишком большие, или они были маленькие, но не могли вмещать в себя достаточное количество энергии. Вот почему мы должны были спроектировать нашу собственную батарею».

Для создания нового дизайна Дэн обратился к эксперту по материаловедению Цзе Сяо.

С целью аккумуляции большего количества энергии в небольшую емкость, команда Сяо использовала метод «рулета с вареньем». Были установлены слои батарейки один на другой в процессе, известном как расслоение. Затем слои сворачивались вместе, подобно тому, как готовится рулет с вареньем. Слои включают в себя отделяющийся материал, зажатый катодом, сделанным из углеродного фторида и анода, сделанного из лития.

Использованная техника позволила его команде увеличивать область электродов, не увеличивая толщину или размер батарейки. Это решает одну из главных проблем, делая такую маленькую модель — хранением импеданса (комплексное сопротивление), который немного походит на сопротивление, полученное от слишком высокого импеданса. Высокий импеданс происходит, когда много электронов упаковано в небольшую емкость так, что они не текут легко или быстро вдоль маршрута в корпусе. Вместо этого они стоят на пути. Чем меньше батарейка, тем серьезнее проблема.

Техника рулета с вареньем позволила команде Сяо создать более крупную область для электронов, чтобы взаимодействовать, уменьшая импеданс.

«Это немного похоже на сглаживающиеся комки пластилина, один слой на другой и затем сворачивание их вместе, как рулет с джемом», говорит Сяо. «Это позволяет упаковывать больше активных материалов в небольшое пространство, не увеличивая сопротивление».
Новая модель немного крупнее половины батареи, используемой в настоящее время для наблюдения за рыбами — всего 70 миллиграммов, по сравнению с приблизительно 135 миллиграммами — шесть миллиметров длиной и три миллиметра шириной. Её удельная энергия составляет 240 ватт час, по сравнению с 100 ватт час.

Батарейка вмещает энергию, достаточную для отправки акустического сигнала. Этот сигнал настолько сильный, что способен отслеживать особей даже в шумной окружающей среде, например, вдоль крупных дамб. Она может привести в действие сигнал с 744 микросекундами, посылаемый каждые три секунды в течение приблизительно трех недель, или о каждых пяти секундах в течение месяца.
Батарейка лучше работает в холодной воде, где часто обитает лосось, посылая более ясные сигналы при низких температурах по сравнению со старыми моделями. Это обусловлено использованием новых активных компонентов, фторида лития и углерода, которые ранее не использовались.

Прошлым летом в лаборатории Сяо, ученые Сэмюэль Картмелл и Теренс Лозано сделали вручную больше чем 1000 подобных батарей размером с крупинку риса. Это — кропотливый процесс, сокращать и формировать крошечные отрывки сложных материалов, проводя их через сглаживающееся устройство, которое напоминает производителя пасты, связывая их, и скатывая вручную в крошечные капсулы. Это напоминает работу хирургов, только работа эта не с тканью, а с чувствительными электронными материалами.
Прошлым летом команда PNNL во главе с Дэниелом Дэном хирургическим путем внедрила около 700 таких батарей в лосося. Предварительные результаты показывают, что испытания данной батареи прошли чрезвычайно успешно. Результаты этих исследований о движении рыбы, оборудованной новой микробатареей, выйдут в следующей публикации. Руководство PNNL запросило патент на производство данной микробатареи.
——
Honghao Chen, Samuel Cartmell, Qiang Wang, Terence Lozano, Z. Daniel Deng, Huidong Li, Xilin Chen, Yong Yuan, Mark E. Gross, Thomas J. Carlson, Jie Xiao. Micro-battery Development for Juvenile Salmon Acoustic Telemetry System Applications. Scientific Reports, 2014

Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

 Orphus

Комментарии Вконтакте:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *