Zhvilime të reja për pajisjet elektronike ekstreme

Teknologjia moderne e së ardhmes do të ketë nevojë për elektronikë që mund të tolerojnë kushte ekstreme. Kjo është arsyeja pse një grup studiuesish të udhëhequr nga Jason Nicholas i Universitetit Shtetëror të Miçiganit po ndërtojnë qarqe më të forta në ditët e sotme.

Nicholas dhe ekipi i tij kanë zhvilluar qarqe argjendi më tolerante ndaj nxehtësisë me shtesë nikeli. Ekipi përshkroi punën, e cila u financua nga Programi i Celulës së Oksidimit të Lendës djegëse/ Departamenti i Energjisë në SHBA, më 15 Prill në revistën Scripta Materialia.

Llojet e pajisjeve që ekipi i MSU po punon për të përfituar; celulat e oksidimit të gjeneratës së ardhshme, gjysmëpërçuesit me temperaturë të lartë dhe celulat e ngurta elektrolitike të oksidit; mund të kenë aplikime në industritë e automjeteve, energjisë dhe hapësirës ajrore.

Megjithëse nuk mund t’i blini këto pajisje tani nëpër dyqane, studiuesit aktualisht po i ndërtojnë ato në laboratorë për t’i testuar në botën reale, madje edhe në planetë të tjerë.
Për shembull, NASA zhvilloi një celulë të ngurtë elektrolitike të oksidit që i mundësoi Mars 2020 Perseverance Rover të prodhojë oksigjen nga gazi në atmosferën e Marsit në 22 Prill. NASA shpreson që ky prototip një ditë të çojë në pajisje që lejojnë astronautët të krijojnë karburant raketash dhe ajër për frymëmarrje ndërkohë që ndodhen në Mars.

Për të ndihmuar prototipet e tilla të bëhen produkte tregtare, atyre do t’u duhet të ruajnë performancën e tyre në temperatura të larta për periudha të gjata kohore, tha Nicholas, një profesor i asociuar në Kolegjin e Inxhinierisë.
Ai u tërhoq nga kjo fushë pas viteve të përdorimit të celulave të ngurta të oksidimit të lëndës djegëse, të cilat punojnë si celula elektrolitike oksiduese në drejtim të kundërt. Në vend që të përdorin energji për të krijuar gazra ose karburant, ato krijojnë energji nga ato kimikate.

“Këto celula punojnë me gazra në temperaturë të lartë. Ne jemi në gjendje të ndikojmë elektrokimikisht në ato gazra për të prodhuar energjinë elektrike dhe ai proces është shumë më efikas sesa djegia e karburantit në një motor me djegie të brendshme,”- tha Nicholas, i cili drejton një laborator në Departamentin e Inxhinierisë Kimike dhe Shkencës së Materialeve.

Por edhe pa djegie, celula ka nevojë të përballojë kushtet intensive të punës.

“Këto pajisje zakonisht funksionojnë deri në rreth 700- 800 gradë Celsius dhe ata duhet ta bëjnë atë ritëm për një kohë të gjatë; – 40,000 orë të jetëgjatësisë së tyre,”- tha Nicholas. Për krahasim, kjo është afërsisht 1,300 deri 1,400 gradë Fahrenheit, ose rreth dyfishi i temperaturës së një furre komerciale picash.

“Dhe gjatë asaj jetëgjatësie, ju jeni duke e ciklizuar termikisht atë,”- tha Nicholas. “Ju do ta ftohni dhe do ta ngrohni përsëri. Është një mjedis shumë ekstrem.”

Kështu, një nga pengesat me të cilat përballet kjo teknologji e përparuar është mjaft elementare: Qarqet përçuese, shpesh të bëra nga argjendi, duhet të qëndrojnë më mirë tek përbërësit themelorë qeramikë.

Sekreti për të përmirësuar ngjitjen, studiuesit zbuluan, ishte shtimi i një shtrese të ndërmjetme nikeli poroz midis argjendit dhe qeramikës.

Duke kryer eksperimente dhe simulime kompjuterike sesi bashkëveprojnë materialet, ekipi optimizoi se si depozitoi nikelin në qeramikë. Dhe për të krijuar shtresat e holla dhe poroze të nikelit në qeramikë në një model, studiuesit iu drejtuan printimit.
“Është i njëjti printim që përdoret për të bërë bluza,”- tha Nicholas. “Ne thjesht po printojmë pajisje elektronike në vend të këmishave. Është një teknikë shumë e përshtatshme për prodhim.”

Pasi nikeli të jetë në vend, ekipi e vë atë në kontakt me argjendin që është shkrirë në një temperaturë prej rreth 1.000 gradë Celsius. Nikeli jo vetëm që i reziston nxehtësisë; pika e tij e shkrirjes është 1,455 gradë Celsius; por gjithashtu shpërndan argjendin e lëngshëm në mënyrë uniforme mbi të duke përdorur atë që quhet veprim kapilar.

“Është pothuajse si një pemë,”- tha Nicholas. “Një pemë thith ujë deri në degët e saj përmes veprimit kapilar. Nikeli po përdor argjendin e shkrirë përmes të njëjtit mekanizëm.”
Kjo qasje gjithashtu ka potencialin për të ndihmuar teknologjitë e tjera, ku elektronika mund të nxehet.

“Ekziston një larmi e madhe e aplikacioneve elektronike që kërkojnë borde qarqesh që mund të përballojnë temperatura ose energji të lartë,”- tha Jon Debling, një menaxher teknologjie me MSU Technologies, zyra e transferimit dhe komercializimit të teknologjisë së shtetit Michigan. “Këto përfshijnë aplikime ekzistuese në automjete, hapësirë ​​ajrore, tregje industriale dhe ushtarake, por gjithashtu edhe ato më të reja si panelet diellore.”

Si menaxher i teknologjisë, Debling punon për të komercializuar risitë Spartane dhe ai po punon për të ndihmuar në patentimin e këtij procesi për krijimin e pajisjeve elektronike më të fuqishme.
“Kjo teknologji është një përmirësim i ndjeshëm; në koston dhe stabilitetin e temperatures; mbi teknologjitë ekzistuese të depozitimit të pastes dhe avullit,”- tha ai.

“Ne jemi duke punuar për të përmirësuar besueshmërinë e tyre këtu në Tokë – dhe në Mars,”- tha Nicholas.