Lichtgewicht composietmaterialen die meer dan 99% lucht bevatten, kunnen de sleutel zijn tot toekomstige ruimtemissies. De materialen, bekend als poreuze koolstofaerogels, vormen de elektroden van een supercondensator die is ontwikkeld door onderzoekers van het door de NASA gesponsorde Merced nAnomaterials Centrum voor Energie en Sensing, de University of California, Santa Cruz (UCSC), de Universiteit van Californië, MercedEn Lawrence Livermore National Laboratory. Het vermogen van het apparaat om bij extreem lage temperaturen te werken, zou het ook een goede krachtbron kunnen maken voor poolexpedities op aarde.
Veel ruimtevaartuigen hebben verwarmingssystemen nodig om in hun onherbergzame omgeving te kunnen werken. NASA's Perseverance Rover, bijvoorbeeld, is onlangs begonnen aan een tweejarige missie om te zoeken naar tekenen van oud microbieel leven op Mars, waar de gemiddelde temperatuur -62 °C is en in de winter onder de -125 °C daalt. Verwarmingselementen aan boord zorgen ervoor dat de elektrolyten in de batterijen van de rover niet bevriezen, maar de verwarmingen en de energiebronnen die nodig zijn om ze van stroom te voorzien, voegen gewicht toe aan de lading van het ruimtevaartuig.
Tussen condensatoren en batterijen
In de afweging tussen laad-/ontlaadsnelheid en energieopslagcapaciteit vallen supercondensatoren - of beter gezegd elektrische dubbellaagse of elektrochemische condensatoren - ergens tussen batterijen en conventionele (diëlektrische) condensatoren. Hoewel ze minder goed zijn in het opslaan van lading dan batterijen, zijn supercondensatoren in dit opzicht beter dan conventionele condensatoren dankzij hun poreuze elektroden, die een oppervlakte hebben van wel enkele vierkante kilometers. De dubbele laag die zich vormt op de elektrolyt-elektrode-interface van dergelijke apparaten wanneer een spanning wordt aangelegd, vergroot de hoeveelheid lading die ze kunnen opslaan verder.
Supercondensatoren hebben ook enkele voordelen ten opzichte van batterijen. Ze kunnen in enkele minuten worden opgeladen en ontladen, in tegenstelling tot batterijen, die uren duren. Ze hebben ook een veel langere levensduur, die miljoenen cycli aanhoudt in plaats van duizenden. En in tegenstelling tot batterijen, die door chemische reacties werken, slaan supercondensatoren energie op in de vorm van elektrisch geladen ionen die zich op de oppervlakken van hun elektroden verzamelen.
Hiërarchische kanalen
Voortbouwend op hun eerdere werk, hebben de onderzoekers, onder leiding van Jennifer Lu van UC Merced en Jat Li van UCSC, gebruikten een 3D-printtechniek genaamd direct ink writing om hun supercondensatorelektroden te maken. Ze maakten de inkt door nanokristallen van cellulose (die koolstof leveren) te combineren met een suspensie van microbolletjes silica. Deze laatste dienen als een harde sjabloon voor het maken van macroporiën in de roosterstructuur van de aerogel nadat deze is gevriesdroogd.
De poriën in het aerogelrooster variëren in grootte van 500 micron tot slechts nanometer, waardoor een hiërarchische structuur van kanalen ontstaat. Deze kanalen verhogen de snelheid waarmee de ionen in een elektrolyt door het materiaal diffunderen aanzienlijk, terwijl ze ook de afstand die ze moeten afleggen tot een minimum beperken.
Voordelen ten opzichte van andere supercondensatoren
De 3D multiscale poreuze carbon aerogel van het team heeft een oppervlakte van ongeveer 1750 m2/g, en testen tonen aan dat een elektrode gemaakt van het materiaal een capaciteit heeft van 148.6 F/g wanneer een spanning van 5 mV/s wordt aangelegd. De onderzoekers zeggen dat dit hoger is dan de meeste andere supercondensatoren bij lage temperaturen.
Het team toonde ook aan dat een apparaat met deze elektrode ionendiffusie en ladingsoverdracht mogelijk maakt bij temperaturen tot -70 °C. Ter vergelijking: de laagste bedrijfstemperaturen van commerciële lithium-ionbatterijen en supercondensatoren liggen doorgaans rond de –20 °C tot –40 °C – waarden die, zoals vermeld, worden beperkt door het vriespunt van de elektrolyten.
Het team gaat nu samenwerken met wetenschappers van NASA om de prestaties van de apparaten bij lage temperaturen verder te karakteriseren. "We zullen dit doen door ze te testen in omgevingen die lijken op die van de maan, Mars en internationale ruimtestations", vertelt Lu Natuurkunde wereld.
Het huidige onderzoek is gedetailleerd in Nano Letters.
De post Poreuze koolstof-aerogels kunnen toekomstige Mars-missies mogelijk maken verscheen eerst op Natuurkunde wereld.
