以鱼为灵感的自充电电池可能有助于为太空应用提供动力

宾夕法尼亚州立大学的一个研究实验室将与卡内基梅隆大学和阿道夫默克尔研究所的其他三个团队平均分享空军科学研究办公室 (AFOSR) 为期三年、价值 255 万美元的拨款瑞士弗里堡。多学科研究合作旨在开发一个框架，用于设计和生产用于太空应用的软、自充电、仿生电源。

宾夕法尼亚州立大学机械工程助理教授约瑟夫·纳吉姆 (Joseph Najem) 将领导该项目，以创建一种能够为卫星、照相机、天气传感器和其他太空技术提供动力的能源。Najem 和他的团队将与弗里堡大学的 Michael Mayer 密切合作，制造和生产多功能聚合物或水凝胶电源。卡内基梅隆大学的 Amir Barati Farimani 和弗里堡大学的 Christoph Weder 将主要关注生产所需材料的模拟和合成。

“目前太空中的挑战是锂离子电池——例如你在手机或电动汽车中发现的那种——是刚性的并且维护成本很高，”Najem 说。“它们的安装成本很高，并且需要大量技术才能保持运行。由于过度充电时可能发生爆炸，还存在安全隐患。”

根据 Najem 的说法，空间应用可以受益于一种合规的、可自我维持的电源，这种电源具有经过优化的化学和物理特性，可以承受极端条件，并且具有适合近地轨道任务的电气性能。

这种电源的灵感来自电鱼使用的电荷分离原理，电鱼具有产生放电以进行捕食和防御的器官。

Najem 说，最近的研究展示了基于水凝胶的电源，它就像一条电鱼，将带电离子移动穿过选择性膜以产生高电压。然而，这些电源无法承受太空中的极端温度并且不能自我维持，这对太空应用至关重要。电鱼只需通过进食、从环境中获取能量来充电。根据 Najem 的说法，在太空中，电源可以类似地充电，使用可用的资源——比如太阳——就像鱼使用食物一样。

“我们相信，至少在概念上，基于软聚合物或水凝胶的材料具有自主运行的潜力，”Najem 说。“由此产生的系统将具有多功能和刺激响应能力，能够按需发电。”

这是 Najem 实验室今年获得的两项资助中的第二项。第一个是来自AFOSR 的 2023 年青年研究者计划的450,000 美元奖励 。