US Navy øjne grafen nanobånd for ultimativt magt kontrolsystem

Den amerikanske flåde distribuerer elektricitet ombord på de fleste af sine skibe som et elselskab. Den er afhængig af dirigenter, transformere og anden omfangsrig infrastruktur.

Opsætningen virker, men med kraftfulde næste generations våben i horisonten og det allestedsnærværende mål om energieffektivitet, flåden søger alternativer til konventionelle magtkontrolsystemer.

En mulighed involverer at bruge grafen, hvilken, siden opdagelsen i 2004, er blevet det foretrukne materiale for forskere, der arbejder på at forbedre alt fra solceller til smartphone-batterier.

Derfor, Office of Naval Research har tildelt University at Buffalo-ingeniører en $800, 000 tilskud til at udvikle smalle strimler af grafen kaldet nanobånd, der en dag kan revolutionere, hvordan magt styres i skibe, smartphones og andre elektroniske enheder.

"Vi er nødt til at udvikle nye nanomaterialer, der er i stand til at håndtere større mængder energitætheder i meget mindre enheder. Grafen nanobånd viser bemærkelsesværdigt løfte i denne bestræbelse, " siger Cemal Basaran, PhD, en professor i UB's Institut for Civil, Struktur- og miljøteknik, School of Engineering and Applied Sciences, og bevillingens hovedefterforsker.

Grafen er et enkelt lag af kulstofatomer pakket sammen som en bikage. Det er ekstremt tyndt, let og stærkt. Det er også den bedst kendte leder af varme og elektricitet.

"Det smukke ved grafen er, at det kan dyrkes som biologiske organismer i modsætning til at fremstille materialer med traditionelle teknikker, " siger Basaran, direktør for UB's elektroniske emballagelaboratorium. "Disse bio-inspirerede materialer giver os mulighed for at kontrollere deres atomare organisationer som at kontrollere genetisk DNA-sammensætning af en laboratoriedyrket celle."

Mens det lover, forskere er lige begyndt at forstå grafen og dets potentielle anvendelser. Et område af interesse er strømstyringssystemer.

Ligesom luftledninger, de fleste skibe er afhængige af kobber eller andre metaller til at flytte elektricitet. Desværre, denne proces er relativt ineffektiv; elektroner slår ind i hinanden og skaber varme i en proces kaldet Joule-opvarmning.

"Du mister en masse energi på den måde, " siger Basaran. "Med grafen, du undgår disse kollisioner, fordi det leder elektricitet i en anden proces, kendt som semi-ballistisk ledning. Det er ligesom et højhastigheds skudtog kontra kofangervogne."

En anden begrænsning ved metalbaseret strømfordeling er den omfangsrige infrastruktur - transistorer, kobbertråde, transformere, osv. - nødvendig for at flytte el. Uanset om det er på et skib eller en tablet, komponenterne fylder og tilfører vægt.

Grafen nanobånd tilbyder en potentiel løsning, fordi de kan fungere som både en leder (i stedet for kobber) og halvleder (i stedet for silicium). I øvrigt, deres evne til at modstå fejl under ekstreme energibelastninger er omtrent 1, 000 gange større end kobber.

Det lover godt for søværnet, hvilken, ligesom segmenter af bilindustrien, drejer sig mod elbiler.

Det lancerede for nylig en helelektrisk destroyer; skibets propeller og drivaksler drejes af elektriske motorer, i modsætning til at være tilsluttet forbrændingsmotorer. Det integrerede elproduktions- og distributionssystem kan også bruges til at affyre næste generations våben, såsom skinnevåben og kraftige lasere. Og automatiseringen har gjort det muligt for flåden at reducere skibets besætning, hvilket placerer færre sejlere i potentielt farlige situationer.

Grafen nanobånd kunne forbedre disse systemer ved at gøre dem mere robuste og energieffektive, sagde Basaran. Han og et team af forskere vil:

• Design komplekse simuleringer, der undersøger, hvordan grafen nanobånd kan bruges som en strømafbryder.
• Udforsk, hvordan man tilføjer brint og andre grundstoffer, en proces kendt som "doping, " til grafen nanobånd kunne forbedre deres ydeevne.
• Undersøg grafen nanobånds fejlgrænse under høje effektbelastninger, og prøv at finde måder at forbedre den på.

Forskningen vil blive udført over de næste fire år.