وسایل الکترونیکی انرژی موردنیاز خود را از دو طریق تامین می‌کنند: باتریها و مبدل‌ها. باتریها انرژی را به‌صورت داخلی ذخیره می‌کنند، اما آن‌ها اغلب سنگین هستند و تامین انرژی محدودی دارند. مبدلهای برقی، مانند پنل‌های خورشیدی، انرژی را از محیط اطراف جمع‌آوری می‌کنند.
این مبدل‌ها هرچند برخی از نقاط ضعف باتریها را ندارند، اما خودشان مشکلات جدیدی را معرفی کرده‌اند؛ از جمله اینکه آن‌ها فقط تحت شرایط خاصی می‌توانند عمل کنند و نمی‌توانند انرژی را خیلی سریع به برق تبدیل کنند. حالا تحقیق جدیدی در دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه پنسیلوانیا انجام شده که برای اولین بار خلا بین این دو فناوری را در شکل یک “زبالهخوار فلز-هوا” (metal-air scavenger) پر کرده است.
این زبالهخوار فلز-هوا، از یک طرف، مانند یک باتری کار می‌کند و با شکستن و تشکیل متناوب پیوندهای شیمیایی انرژی تولید می‌کند. از طرفی هم مثل یک مبدل عمل کرده و انرژی موردنیاز خود را از محیط اطراف می‌گیرد. این انرژی مشخصا از پیوندهای شیمیایی درون فلز و هوای اطراف زبالهخوار تامین می‌شود.
نتیجه کار، نوعی منبع انرژی است که ۱۰ برابر دانسیته انرژی بیشتری نسبت به بهترین مبدلهای برقی و ۱۳ برابر دانسیته انرژی بیشتری نسبت به باتریهای لیتیوم یون دارد.
این نوع منبع انرژی در طولانی مدت میتواند تبدیل به پایه و اساسی برای یک پارادایم جدید در صنعت رباتیک شود؛ پارادایمی که در آن، ربات‌ها انرژی خود را با پیدا کردن و خوردن فلزات تامین خواهند کرد و پیوندهای شیمیایی این فلزات را برای تامین انرژی خواهند شکست؛ درست مانند بدن ما انسان‌ها که غذا را به واحدهای کوچک‌تر می‌شکند.
این تکنولوژی در کوتاه‌‌مدت میتواند انرژی برخی از محصولات شرکت‌های دانش‌بنیان را تامین کند. امسال برندگان اول و دوم رقابت‌‌های سالانه Y-Prize دانشگاه پنسیلوانیا، تصمیم دارند از زباله‌خوارهای فلز-هوا برای تامین انرژی خانه‌‌های خارج از شبکه برق‌رسانی در کشورهای در حال توسعه و همچنین در ساخت سنسورهای بادوام برای کانتینرهای باربری جهت شناسایی مواردی مانند دزدی، خسارت یا حتی قاچاق انسان استفاده کنند.
محققان این تکنولوژی، نتایج مطالعات خود درباره قابلیت‌های زبالهخوار فلز-هوا را در مجله ACS Energy Letters به چاپ رسانده‌اند. اما دلیل توسعه چنین دستگاهی این بود که فناوری‌های ساخت مغز ربات‌ها و تکنولوژی‌هایی که انرژی آن‌ها را تامین می‌کنند، معمولا در مقیاس‌های مینیاتوری انطباق چندانی باهم ندارند.
همانطور که می‌دانید هرچه ابعاد ترانزیستورها کاهش یابد، چیپ‌ها قدرت محاسباتی بیشتری را در ساختارهای کوچک‌تر و سبک‌تر فراهم خواهند ساخت. اما این موضوع در مورد باتریها صادق نیست. علت آن هم این است که چگالی پیوندهای شیمیایی یک ماده همیشه ثابت است، بنابراین باتریهای کوچک‌تر به معنای وجود پیوندهای کمتر برای شکستن خواهد بود.
James Pikul از اعضای گروه تحقیق می‌گوید: این رابطه معکوس بین عملکرد محاسباتی و ذخیره انرژی، امکان عملیات دستگاه‌های کوچک‌مقیاس و ربات‌ها در طولانی‌مدت را بسیار دشوار می‌کند. ربات‌هایی به اندازه حشرات وجود دارند، اما باتری آن‌ها فقط میتواند به مدت یک دقیقه دوام بیاورد.
موضوع بدتر اینکه حتی اضافه کردن یک باتری بزرگتر هم به ربات اجازه نخواهد داد تا مدت زمان بیشتری دوام بیاورد؛ برای اینکه وزن اضافه‌شده، انرژی بیشتری برای حرکت نیاز خواهد داشت و این کار، انرژی اضافی ناشی از باتری بزرگتر را خنثی خواهد کرد. تنها راه برای غلبه بر این رابطه معکوس، جستجوی پیوندهای شیمیایی توسط خود ربات است و نه حمل آن‌ها.
Pikul می‌گوید: مبدلهای برقی که انرژی خورشیدی، گرمایی یا ارتعاشی را جمع‌آوری می‌کنند در حال بهتر شدن هستند. آن‌ها اغلب برای تامین انرژی سنسورها و وسایل الکترونیکی که خارج از شبکه هستند یا امکان تعویض باتری آن‌ها وجود ندارند استفاده می‌شوند. مشکل آن‌ها این است که دانسیته انرژی پایینی دارند و نمی‌توانند مانند باتریها انرژی را به‌سرعت از محیط بگیرند. دانسیته انرژی زبالهخوار فلز-هوا ما ۱۰ برابر بیشتر از چگالی انرژی بهترین مبدل‌هاست و از این بابت قابلیت رقابت با باتریها را دارد. این دستگاه از شیمی باتری استفاده می‌کند، اما وزن زیادی ندارد، برای اینکه مواد شیمیایی را از محیط می‌گیرد.
زبالهخوار طراحی‌شده توسط محققان دانشگاه پنسیلوانیا، درست مثل باتریهای معمولی، کار خود را با یک کاتد که به دستگاه مصرف‌‌کننده انرژی وصل شده شروع می‌کند. زیر این کاتد یک ورقه هیدروژل (یک شبکه اسفنجی از زنجیره‌‌های پلیمری برای هدایت الکترون‌‌ها بین سطح فلز و کاتد از طریق مولکول‌های آب) قرار دارد. این ورقه هیدروژل به‌‌عنوان یک الکترولیت عمل کرده و با تماس هر سطح فلزی، آن سطح را تبدیل به یک آند می‌کند. این کار اجازه می‌دهد تا الکترون‌‌ها به سمت کاتد جریان یابند و انرژی دستگاه وصل‌شده را تامین کنند.
تیم تحقیق، برای اهداف مطالعه خود، یک وسیله موتوری کوچک را به زبالهخوار وصل کردند. زبالهخوار با کشیدن لایه هیدروژل پشت خود، شروع به اکسید کردن سطوح فلزی مسیر خود کرد و یک لایه میکروسکوپی از اکسید را پشت سرش به جای گذاشت.
اعضای گروه، برای اثبات کردن کارآیی این روش، زبالهخوار خود را در دایره‌هایی روی یک سطح آلومینیومی به حرکت درآوردند. دستگاه به یک مخزن کوچک مجهز شد که به‌طور مداوم آب را به داخل هیدروژل تزریق می‌کرد تا مانع از خشک شدن آن شود.
