В НовГУ предложили инновационное решение для аварийного освещения прибрежных зон. Физики разработали проект резервного источника энергии, который работает на магнии, воздухе и солёной воде. В отличие от солнечных батарей, он не зависит от погоды, а в отличие от литиевых аккумуляторов — безопасен для экологии: даже при аварии такая батарея не отравит воду тяжёлыми металлами.
Авторы работы — студентка Политехнического института НовГУ Арина Тохтабаева и старший преподаватель кафедры общей и экспериментальной физики Андрей Росанов.
Как пояснили авторы, солнечные панели и ветрогенераторы в российских условиях работают нестабильно. Чтобы они светили ночью или в штиль, нужны дорогие и массивные аккумуляторы. Учёные НовГУ решили вернуться к истокам и использовать гальванический элемент (химический источник тока), но сделать его максимально современным и чистым.
По мнению ученых, у такого элемента есть ряд преимуществ. Среди них — безопасность для окружающей среды, сохранность в неактивном состоянии и большая энергоемкость.
— Нашей задачей был подбор такого источника, воздействие которого на природу минимально, — рассказывает Арина Тохтабаева. — Это значит, что при любой аварии, например, разливе электролита или утилизации батареи, среда останется чистой. В нашей разработке нет тяжёлых металлов, токсичных соединений лития или диоксинов. Ещё одно важное условие — долгий срок службы. Пока батарея не заправлена солевым раствором, она может храниться в сухом виде много лет, не теряя своих свойств. Помимо этого, теоретическая энергоемкость магния очень высока, что делает элемент перспективным для резервного питания.
Устройство состоит из магниевого анода и специального воздушного катода. Внутри происходит простая химическая реакция: магний взаимодействует с кислородом из воздуха в растворе соли.
Процесс получения энергии в такой батарее напоминает контролируемое растворение металла. Когда цепь замыкается, магниевая пластина (анод) начинает постепенно отдавать свои частицы в соляной раствор. В этот момент высвобождаются электроны — электрический ток, который зажигает лампочку. Единственный побочный продукт реакции — безвредный гидроксид магния.
Однако на пути к стабильной энергии ученые сталкиваются с несколькими вызовами. В процессе реакции у поверхности магния выделяются пузырьки водорода. Они облепляют металл, мешая ему взаимодействовать с раствором. Продукты реакции оседают на пластине, создавая изолирующий слой, из-за чего напряжение падает.
Также магний растворяется неравномерно. Вместо того, чтобы таять слой за слоем, металл начинает разрушаться кусками. В итоге ценное «топливо» тратится впустую, выпадая в осадок.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи подбирают специальные сплавы — например, добавляют к магнию алюминий и цинк. Это заставляет пластину «сгорать» равномерно, продлевая жизнь батарее.
Хотя теоретически батарея может работать на дистиллированной воде, для стабильного тока нужны добавки. Исследования показывают, что различные соли заметно повышают эффективность ячейки. Существуют составы, которые позволяют выжать из устройства еще большее напряжение, но перед учёными НовГУ стояла задача сделать максимально экологичное устройство. Поэтому выбор пал на обычную поваренную соль: она доступна, безопасна и не превращает отработанный электролит в токсичные отходы.
Эффективность системы обеспечивает высокотехнологичный воздушный катод. Его многослойная структура из мембран и углеродной ткани с платиновым напылением позволяет батарее буквально «дышать», поглощая кислород из атмосферы. Использование платины в качестве катализатора направляет химические процессы по пути четырехэлектронной реакции, предотвращая образование побочного пероксида водорода. Такое технологическое решение исключает падение мощности и гарантирует стабильно высокий КПД источника энергии.
Разработчики отмечают, что магниево-воздушные элементы — это не просто лабораторный эксперимент, а перспективная технология будущего. Они энергоёмки и надёжны. Такие батареи пригодятся для аварийного освещения пирсов, датчиков и системы мониторинга океана, прибрежных и природоохранных зон. Физики уверены, они могут стать идеальным резервным источником питания в любых точках, где важна автономность и экологическая безопасность.
Проект разработан во время подготовки к финалу Турнира Трех Наук командой физиков Политехнического института НовГУ.
Справка. На химическом языке процесс выглядит так:
Анод: Mg →Mg^2+ + 2e^-
Катод: O2 + 2H2O + 4e^- →4OH^-
Итог: 2Mg + O2 + 2H2O →2Mg(OH)_2