כוח ממוזער: דרך רצופת מכשולים

• לחלק הראשון של הכתבה - לחצו כאן
  

פיתוחן של סוללות-ננו מביא סוף-סוף למזעור מקורות המתח לממדיהם של הרכיבים האלקטרוניים האחרים. סוללת-הננו מתוכננת כך שתוכל להישאר במצב רדום במשך 15 שנה לפחות ולספק, מיד בהפעלתה, פרץ של אנרגיה בעוצמה גבוהה. בספטמבר 2004 כבר היה למדענים מודל פועל ומפיק זרם. כדי לייצר את האב טיפוס, היה על הצוות לייצר עמודי צורן בקוטר 300 ננומטר ובמרווחים של כשני מיקרונים. כדי להפיק חשמל, השתמשו החוקרים בתרכובות המשמשות בסוללות אלקליות רגילות, עם אבץ כאנודה ומנגן דו-חמצני כקתודה. רצפת הצורן שעליה נחים העמודים מצופה אבץ, והעמודים עצמם מצופים צורן דו-חמצני המאפשר לחוקרים לשלוט במתח שמפיק ההתקן. קצות העמודים מצופים שכבת פחמן פלואורי דמוית טפלון שבה מתרחשת תופעת ההרטבה החשמלית.

"גם אם הדברים פשוטים מבחינה מושגית, הם קשים לביצוע," מדגיש קרופנקין. שיקוע אבץ רק על הקרקעית הוא "שרשרת של אתגרים ענקיים," הוא נזכר. התהליך המקובל לציפוי במתכת נקרא ציפוי אלקטרוליטי. אך אי אפשר לבצעו על תחמוצות כמו צורן דו-חמצני המצוי בהתקן הדשא הננומטרי. היה אפוא צורך לתכנן דרך לנקות את רצפת הצורן מצורן דו-חמצני ולהניח לאבץ לשקוע עליה, ובתוך כך יש להקפיד שעמודי הצורן עצמם יישארו מצופים בתחמוצת. הפתרון היה לצפות בתחמוצת גם את הקרקעית וגם את העמודים, אך לרבד על הקרקעית שכבה דקה יותר. לאחר מכן, איכלו את התחמוצת באמצעות גז מיונן עד שהוסרה כליל מן הקרקעית, בעוד העמודים נותרים מצופים.

אך גם על צורן אי אפשר לעשות ציפוי אלקטרוליטי. לכן השתמשו החוקרים בשיטות של כימיה רטובה כדי לשקע ניקל או טיטניום על הקרקעית, כשכבת זריעה שעליה יתיישב האבץ בעת הציפוי האלקטרוליטי. שיקוע האבץ בשכבה אחידה, כך שלא ייווצרו תלוליות של אבץ לצד מקומות חשופים, היה מסכת מייגעת של ניסוי וטעייה על ידי משחק בטמפרטורה, בזרם החשמלי ובריכוז הכימיקלים. "כשאני מסתכל אחורה, אני מתפלא שזה לקח רק שנה," אומר סיימון.

לאחר שהיה למדענים אב טיפוס פועל, הם התחילו לדבר עם לקוחות פוטנציאליים. בעקבות שיחות אלה הוכנסו שינויים גדולים במבנה הסוללה. העיצוב ההתחלתי היה דמוי כריך, הקתודה הייתה למעלה, תמיסת האבץ הכלורי ששימשה כאלקטרוליט, באמצע, הדשא הננומטרי מתחתיה, והאנודה למטה. נציגי מעבדות הצבא האמריקני מאדלפי שבמרילנד הביעו חשש שהמגע הרצוף בין האלקטרוליט ובין כל אחת מן האלקטרודות יחולל תגובות כימיות לא רצויות. לאחר תכנון מחדש, האלקטרוליט מצוי כעת למעלה, תרכובות האנודה והקתודה מצויות באזורים מופרדים פיזית על הקרקעית, ומחסום של צורן ננומטרי תלוי ביניהם. כשמפעילים אותו, הוא מאפשר לאלקטרוליט לחדור ולהציף את האלקטרודות.

הצוות השתמש במקור בעמודים ננומטריים כדי להפריד בין האלקטרוליט לאנודה, כי העמודים תופסים הכי פחות מקום ומספקים יותר שטח פנים לתגובות כימיות בין האלקטרודות. אך הקושי לייצר את סוללת העמודים הננומטריים דחף את החוקרים לפתח במקומה ממברנה בצורה של חלת דבש ננומטרית כדי להפריד את האלקטרוליט מן האלקטרודות. גם יצירת ממברנת ההרטבה החשמלית הזאת, בעלת נקבוביות שקוטרן 20 מיקרון ודפנות דקיקות ושבריריות שרוחבן 600 ננומטר, הייתה אתגר לא קטן. בהתחלה השתמשו המדענים בפלזמה כדי לחרוט את המבנה העדין של חלת הדבש מפרוסות צורן מצופות צורן דו-חמצני. לאחר מכן, הם גידלו צורן דו-חמצני על קירות הצורן החשופים של הנקבוביות על ידי פעפוע של חמצן לכבשנים בטמפרטורה של 1,000 מעלות. לבסוף, ציפו את כל החלה בפחמן פלואורי.

החוקרים פיתחו את הדוגמאות החדשות הראשונות באוקטובר 2005. אחד מיתרונותיה הגדולים של המערכת, לדברי סיימון, הוא שהצוות אינו צריך לחפש ביגיעה רבה את התנאים המדויקים, הדרושים לגידול שכבת אנודה אחידה בתוך יער של עמודים ננומטריים, כל אימת שהוא רוצה לנסות צירוף חדש של אנודה וקתודה. במקום זאת, המדענים פשוט מניחים את פיסות האלקטרודות על משטח אחיד. כמו כן, הניסיון הרב שנרכש בציפוי אלקטרוכימי, מסייע להם היום לייצר את האלקטרודות בקלות רבה. מעבדות בל ו-mPhase מנסות כיום, בשיתוף פעולה עם אוניברסיטת ראטגרס, לשלב במערכת את סוג התגובות הכימיות המשמשות בסוללות של מצלמות דיגיטליות וטלפונים סלולריים.

מן הסוללה הננומטרית עשוי גם לצמוח מקור מתח ידידותי יותר לסביבה, שיכיל בתוכו תרכובות המנטרלות את האלקטרוליט. "כך תימנע זליגתו לקרקע, או, אם נורה חייל הנושא מכשיר בעל סוללה, הסוללה לא תזיל עליו את תכולתה הצורבת," אומר קרופנקין. ייתכן גם שמבני פלסטיק ננומטריים יחליפו את הצורן, מוסיף סיימון, ויסללו את הדרך לסוללות ננומטריות גמישות.

המדענים אינם מנסים להחליף את הסוללות המתכלות, שכן עלות הייצור ההמוני של אלה "היא כמה שברירי סנט לסוללת AA," אומר קרופנקין. הם מתמקדים ביישומים מתמחים, כגון חיישנים המוצנחים ממטוסים צבאיים ואמורים להשתמש במשדרי הרדיו שלהם רק פעם או פעמיים, כדי לאותת על נוכחותם של פולשים, למשל, או רעלנים, או קרינה. "אם החיישן אינו קולט שום דבר מעניין, אין לו מה לשדר, אך אם כן, הוא צריך הספק חשמלי רב," מסביר קרופנקין. עוד שימוש פוטנציאלי הוא בהתקנים המנטרים שינויים סביבתיים. אלה יכולים להשתמש בתוספת המתח כדי לשדר למרחק רב יותר, ובכך להפחית את מספר החיישנים הדרוש. את הסוללות לשעת חירום אולי יהיה אפשר לשלב גם בשתלים רפואיים, בטלפונים סלולריים או במשדרי קולר לחיות מחמד.

הצוות שקל גם לפתח גרסה נטענת של ההתקן. פולס של זרם יכול לעבור בסוללה המרוקנת ולגרום לחימום המשטח שעליו נח האלקטרוליט. כתוצאה מכך תתאדה שכבה דקיקה של נוזל, והטיפה תקפוץ בחזרה אל ראש המבנה הננומטרי. "בעיקרון, זה אפשרי. בפועל, זה קשה מאוד לביצוע," חושש קרופנקין. למשל, mPhase מצפה לשגר דוגמאות מוצר לראשוני המשתמשים הפוטנציאליים בעוד שנתיים עד שלוש. סוללה ננומטרית תהיה אבן דרך חשובה בהצטרפות מקורות המתח למהפכת המזעור המניעה את שאר תעשיית האלקטרוניקה זה כמה עשרות שנים.