De Amerikaanse marine distribueert elektriciteit aan boord van de meeste van haar schepen als een energiebedrijf. Het is afhankelijk van geleiders, transformatoren en andere omvangrijke infrastructuur.

De opstelling werkt, maar met krachtige volgende generatie wapens aan de horizon en het alomtegenwoordige doel van energie-efficiëntie, de marine is op zoek naar alternatieven voor conventionele stroombesturingssystemen.

Een optie is het gebruik van grafeen, die, sinds de ontdekking in 2004, is het materiaal bij uitstek geworden voor onderzoekers die werken aan het verbeteren van alles, van zonnecellen tot smartphonebatterijen.

Overeenkomstig, het Office of Naval Research heeft de ingenieurs van de Universiteit van Buffalo een $ 800 toegekend, 000 subsidie ​​voor de ontwikkeling van smalle stroken grafeen, nanoribbons genaamd, die op een dag een revolutie teweeg kunnen brengen in de manier waarop de macht in schepen wordt gecontroleerd, smartphones en andere elektronische apparaten.

"We moeten nieuwe nanomaterialen ontwikkelen die in staat zijn om grotere hoeveelheden energiedichtheden in veel kleinere apparaten aan te kunnen. Grafeen nanoribbons tonen een opmerkelijke belofte in dit streven, " zegt Cemal Basaran, doctoraat, een professor bij de afdeling Civiel, structurele en milieutechniek, School voor Ingenieurswetenschappen en Toegepaste Wetenschappen, en de hoofdonderzoeker van de subsidie.

Grafeen is een enkele laag koolstofatomen die samengepakt zijn als een honingraat. Het is extreem dun, licht en sterk. Het is ook de bekendste geleider van warmte en elektriciteit.

"Het mooie van grafeen is dat het kan worden gekweekt als biologische organismen, in tegenstelling tot het vervaardigen van materialen met traditionele technieken, " zegt Basaran, directeur van het Electronic Packaging Laboratory van de UB. "Deze bio-geïnspireerde materialen stellen ons in staat om hun atomaire organisaties te controleren, zoals het controleren van de genetische DNA-samenstelling van een in het laboratorium gekweekte cel."

Hoewel veelbelovend, onderzoekers beginnen grafeen en het mogelijke gebruik ervan nog maar net te begrijpen. Een aandachtsgebied zijn vermogensregelsystemen.

Zoals bovengrondse hoogspanningslijnen, de meeste schepen vertrouwen op koper of andere metalen om elektriciteit te verplaatsen. Helaas, dit proces is relatief inefficiënt; elektronen botsen tegen elkaar en creëren warmte in een proces dat Joule-verwarming wordt genoemd.

"Zo verlies je veel energie, " zegt Basaran. "Met grafeen, je vermijdt die botsingen omdat het elektriciteit in een ander proces geleidt, bekend als semi-ballistische geleiding. Het is als een hogesnelheidstrein tegen botsauto's."

Een andere beperking van op metaal gebaseerde stroomdistributie is de omvangrijke infrastructuur - transistors, koperdraden, transformatoren, enz. - nodig om elektriciteit te verplaatsen. Of het nu in een schip of tabletcomputer is, de componenten nemen ruimte in beslag en voegen gewicht toe.

Grafeen nanoribbons bieden een mogelijke oplossing omdat ze zowel als geleider (in plaats van koper) als als halfgeleider (in plaats van silicium) kunnen fungeren. Bovendien, hun vermogen om falen te weerstaan ​​onder extreme energiebelastingen is ongeveer 1, 000 keer groter dan koper.

Dat belooft veel goeds voor de marine, die, zoals segmenten van de auto-industrie, draait richting elektrische voertuigen.

Het heeft onlangs een volledig elektrische torpedojager gelanceerd; de scheepsschroeven en aandrijfassen worden aangedreven door elektromotoren, in tegenstelling tot de aansluiting op verbrandingsmotoren. Het geïntegreerde energieopwekkings- en distributiesysteem kan ook worden gebruikt om wapens van de volgende generatie af te vuren, zoals railguns en krachtige lasers. En de automatisering heeft de marine in staat gesteld de bemanning van het schip te verminderen, waardoor minder zeilers in potentieel gevaarlijke situaties terechtkomen.

Grafeen nanoribbons zouden deze systemen kunnen verbeteren door ze robuuster en energiezuiniger te maken. zei Basarán. Hij en een team van onderzoekers zullen:

• Ontwerp complexe simulaties die onderzoeken hoe grafeen nanoribbons kunnen worden gebruikt als aan/uit-schakelaar.
• Ontdek hoe het toevoegen van waterstof en andere elementen, een proces dat bekend staat als "doping, " naar grafeen nanoribbons zou hun prestaties kunnen verbeteren.
• Onderzoek de faallimiet van grafeen nanoribbons onder hoge stroombelastingen en probeer manieren te vinden om deze te verbeteren.

Het onderzoek wordt de komende vier jaar uitgevoerd.