Moře obsahuje spoustu energie. Kredit: Steevven1 / Wikimedia Commons.

Rozmanité podvodní stroje a zařízení, robotické ponorky nebo třeba podvodní detektory často samostatně operují pod vodní hladinou po velmi dlouhou dobu. Aby to mohli zvládnout, tak k tomu potřebují vlastní a pokud možno spolehlivý zdroj energie. Mohou to být baterie, palivové články nebo třeba zařízení, které si samo obstará energii v okolním prostředí.

Liang Tang, Hu Jiang, a Ming Hu vedli tým složený z badatelů čínských univerzit, který vyvinul převratný systém pro získávání energie z mořské vody. Jde o levné zařízení pro přímou elektrochemickou extrakci energie z mořské vody, které se dovede autonomně přepínat podle nároků na energii. Dokáže zajistit nepřetržité dodávání stabilního množství energie, a v případě potřeby se přepne do módu, v němž zvládne krátkodobé návaly požadavků na velký výkon.

Pruská modř. Kredit: Publunch / Wikimedia Commons.

Podvodní roboti a podobná zařízení dnes mapují mořské dno, proudy či teploty v oceánu, monitorují a opravují podmořská potrubí a kabely, a také dělají v oceánu spoustu dalších náročných věcí, většinou do značné míry autonomně. Náročná práce v extrémních podmínkách obvykle vyžaduje zdroje energie s vysokou hustotou energie (high energy density), které mohou dodávat stálé množství energie pro základní provoz po dlouhou dobu, a zároveň zdroje s vysokou hustotou výkonu (high power density), které poslouží při náhlém požadavku velkého výkonu.

Schéma fungování nového zařízení s autonomním přepínáním. Kredit: Zhang et al. (2019).

Čínský tým se inspiroval u mořských organismů, které mohou přepínat metabolismus jejich buněk mezi aerobním a anaerobním módem tím, že používají různé materiály v roli příjemce (akceptoru elektronů). Badatelé vyvinuli zdroj energie, který pracuje na podobném principu. Zařízení využívá pozoruhodné materiály kovové organické kostry MOF (Metal-Organic Frameworks). Klíčovým prvkem zařízení je katoda z pařížské (berlínské či také pruské) modři, což je chemicky ferrokyanid železitý, která spolupracuje s kovovou anodou při získávání elektřiny z mořské vody.

Když zařízení dodává energii v režimu pro základní provoz, tak jsou elektrony proudící ke katodě předávány kyslíku rozpuštěnému v mořské vodě. Zásoba kyslíku v mořské vodě je prakticky nevyčerpatelná, takže by zařízení v základním režimu mohlo teoreticky fungovat navěky. Problém je v tom, že rozpuštěného kyslíku je v mořské vodě málo. Když se náhle zvýší požadavky na energii, tak na katodě zařízení není dost kyslíku, který by přijal všechny přicházející elektrony. Katoda z pařížské modři musí takové elektrony uskladnit, což udělá tak, že redukuje atomy železa z Fe 3+ na Fe 2+. Aby zařízení udrželo rovnováhu elektrického náboje, tak musí v krátkém čase absorbovat velké množství iontů sodíku. Jakmile se nároky na energii zase sníží, tak se železo opět oxiduje, ionty sodíku se uvolní do okolní mořské vody a vše se vrátí k normálu.

Nový systém je velice stabilní a z koroze mořskou vodou si mnoho nedělá. Vše rovněž nasvědčuje tomu, že vydrží mnoho cyklů přepnutí mezi módy základního provozu a velkého výkonu. Testy ukazují, že zařízení může v módu velkého výkonu bez potíží běžet nepřetržitě 4 dny. V tomto módu systém dodává potřebnou energii pro 39 LEDek a vrtuli.

Literatura
Wiley Online 13. 5. 2019, Angewandte Chemie online 29. 3. 2019.