Onderzoekers ontwerpen opgeladen ‘power suits’ voor elektrische voertuigen en ruimtevaartuigen

Net als het geladen krachtpak gedragen door Black Panther van Marvel Comics, hebben UCF-onderzoekers geavanceerde NASA-technologieën ontwikkeld om een ​​krachtpak te ontwikkelen voor een elektrische auto die zo sterk is als staal, lichter dan aluminium en helpt het vermogen van het voertuig te vergroten.

Het pak is gemaakt van gelaagd koolstofcomposietmateriaal dat vanwege het unieke ontwerp op nanoschaalniveau werkt als een hybride apparaat met supercondensator en batterij dat energie opslaat.

De ontwikkeling verscheen onlangs als het omslagverhaal in het tijdschrift Klein en zou toepassingen kunnen hebben in een reeks technologieën die lichtgewicht energiebronnen vereisen, van elektrische voertuigen tot ruimtevaartuigen, vliegtuigen, drones, draagbare apparaten en draagbare technologie.

“Ons idee is om de carrosserieën te gebruiken om energie op te slaan als aanvulling op de energie die is opgeslagen in batterijen”, zegt co-auteur Jayan Thomas, de teamleider en een professor in UCF’s NanoScience Technology Center en Department of Materials Science and Engineering.

“Het voordeel is dat dit composiet het gewicht van uw auto kan verminderen en het aantal kilometers per lading kan verhogen”, zegt hij. “Het is zo sterk als of zelfs sterker dan staal, maar veel lichter.”

Wanneer het materiaal als carrosserie wordt gebruikt, kan het de actieradius van een elektrische auto met 25% vergroten, wat betekent dat een voertuig van 200 mijl per oplaadbeurt 80 kilometer extra kan rijden en het totale gewicht kan verminderen.

Als supercondensator zou het ook het vermogen van een elektrische auto vergroten, waardoor het de extra duw krijgt die het nodig heeft om in 3 seconden van nul naar 60 mph te gaan.

“Deze toepassing, evenals vele andere, zou op een dag aan de horizon kunnen verschijnen als de technologie in zijn gereedheidsniveau vordert”, zegt Luke Roberson, co-auteur van de studie en een senior hoofdonderzoeker voor onderzoek en ontwikkeling bij NASA’s Kennedy Space Center.

Deze materialen kunnen worden gebruikt als frames voor kubussatellieten, structuren op buitenaardse habitats of zelfs als onderdeel van futuristische brillen, zoals headsets voor gemengde en virtuele realiteit.

“Er zijn veel potentiële infusiepunten binnen de economie en voor toekomstige verkenning van de ruimte”, zegt Roberson. “Dit is naar mijn mening een enorme vooruitgang van het technologische paraatheidsniveau om ons te brengen waar we moeten zijn voor NASA-missie-infusie.”

Op auto’s zou het supercondensatorcomposietmateriaal zijn kracht krijgen door op te laden, zoals een batterij, en ook wanneer de auto remt, zegt Thomas.

“De levensduur van de laad-ontlaadcyclus is 10 keer langer dan die van een batterij van een elektrische auto”, zegt hij.

De gebruikte materialen zijn ook niet-toxisch en niet-ontvlambaar, wat erg belangrijk is voor de veiligheid van passagiers bij een ongeval, zegt hij.

“Dit is een enorme verbetering ten opzichte van eerdere benaderingen die last hadden van problemen met giftig materiaal, ontvlambare organische elektrolyten, lage levenscycli of slechte prestaties”, zegt Thomas.

Vanwege het unieke ontwerp dat gebruik maakt van meerdere lagen koolstofvezel, heeft het materiaal een aanzienlijke slag- en buigsterkte, essentieel voor het weerstaan ​​van een auto-botsing, evenals een aanzienlijke treksterkte.

Om het materiaal te construeren, creëerden de onderzoekers positief en negatief geladen koolstofvezellagen, die, wanneer ze in een afwisselend patroon worden gestapeld en bevestigd, een sterke, energie-opslaande composiet creëren.

Grafeenvellen op nanoschaal die op de koolstofvezellagen zijn bevestigd, zorgen voor een groter vermogen om lading op te slaan, terwijl metaaloxiden die op bevestigde elektroden worden afgezet, de spanning verhogen en een hogere energiedichtheid bieden. Dit geeft de supercondensator-batterijhybride zijn ongekende energieopslagcapaciteit en oplaadlevenscyclus, zegt Thomas.

Deepak Pandey, de hoofdauteur van de studie en een doctoraalstudent in het laboratorium van Thomas, werkte aan het vormen, vormgeven en optimaliseren van de composiet, en aan de ontwikkeling van de methode om metaaloxiden toe te voegen aan de koolstofgrafeenstrips.

Studie co-auteur Kowsik Sambath Kumar, een doctoraalstudent in het laboratorium van Thomas, ontwikkelde een manier om grafeen op nanoschaal verticaal uit te lijnen op koolstofvezelelektroden.

Kumar zegt dat een van de belangrijkste ontwikkelingen van dit supercondensatorcomposiet is dat het lichtgewicht is.

“In elektrische auto’s is de batterij nu 30% tot 40% van het gewicht”, zegt hij. “Met dit energieopslagcomposiet kunnen we extra kilometers maken zonder het batterijgewicht te verhogen, verder vermindert het het voertuiggewicht, terwijl de hoge trek-, buig- en slagvastheid behouden blijft. Telkens wanneer u dat gewicht verlaagt, kunt u het bereik vergroten, dus dit heeft een enorme toepassingen in elektrische auto’s en luchtvaart.”

Pandey is het daarmee eens en benadrukt het nut ervan voor de ruimtevaartsector.

“Door van deze composiet een kubusvormige satelliet te maken, wordt de satelliet licht in gewicht en helpt het zware batterijpakket te elimineren”, zegt hij. “Dit zou duizenden dollars per lancering kunnen besparen. Verder zou het gratis volume dat wordt verkregen door het verwijderen van grote batterijen kunnen helpen bij het inpakken van meer sensoren en testapparatuur, waardoor de functionaliteit van de satelliet wordt vergroot”, zegt Pandey. “Supercondensator-batterij hybride gedrag is ideaal voor Cubesats, omdat het in enkele minuten kan worden opgeladen wanneer een satelliet over de door zonne-energie verlichte kant van de aarde draait.

Roberson zegt dat de technologie zich momenteel op een technologiegereedheidsniveau van vijf bevindt, wat betekent dat het is getest in een relevante omgeving voordat het wordt getest in een echte omgeving, zoals op een ruimtevlucht, wat niveau zes testen zou zijn.

Om het laatste testniveau, niveau negen, te halen en de commerciële omgeving te bereiken, zal het verder moeten worden ontwikkeld en getest, gericht op commerciële toepassingen, zegt hij.