En bränslecell i din telefon

I en industripark i Los Alamos, NM, inte långt från laboratoriets födelseplats för atombomben, sitter Robert Hockaday i det röriga labbet på sitt startup-företag Manhattan Scientifics och håller i en lapp av klar plast i storleken visitkort. Närmare inspektion visar ett kretskortsliknande mönster av svart platina och rutenium tryckt på båda sidor. Konstruktionen är insidan av ett fem centimeter gånger 13 centimeter kraftverk som genererar sin egen el med metanol som bränsle. Det kanske inte ser mycket ut vid första anblicken, men det är en medlem av en ny klass av små kraftpaket som är redo att explodera på marknaden - och som bara kan förinta en av världens mest allmänt förekommande teknologier, batteriet.

Dessa miniatyrkraftverk, kallade mikrobränsleceller, lovar en enorm kraftökning för bärbar elektronik, allt från mobiltelefoner till bärbara datorer till framtida generationer av energikrävande, webbaktiverade handhållna enheter. Dagens bästa litiumjonbatterier för mobiltelefoner ger i genomsnitt bara fyra timmars samtalstid; mikrobränsleceller kan ge upp till 20 timmars samtalstid. Och efter det, istället för att koppla in mobiltelefonen över natten, eller byta batterier, skulle du bara sätta i en ny metanolpatron.

Den här historien var en del av vårt novembernummer 2001

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Bränsleceller sprider naturligtvis redan ut på marknaden i andra former – och i mycket större storlekar. Bussar som drivs av bränsleceller gör sina första framträdanden, och bilar är nästa ( ser Fyll på med väte , TR november/december 2000 ). Bränsleceller som ger reservkraft för hem och kontor blir också tillgängliga ( ser Makt till folket , TR maj 2001 ). Electrolux har till och med tagit fram en prototyp för en sladdlös bränslecellsdammsugare. Bland andra fördelar använder bränsleceller lättillgängliga energikällor, nämligen väte eller metanol, och producerar endast vatten, koldioxid och värme som avfallsprodukter.

Nu rustar industrin för att göra bränsleceller tillräckligt små för konsumentelektronik. Att bygga praktiska bränsleceller, den här lilla enheten som producerar en tiondels watt till 50 watt, innebär stora tekniska och materialutmaningar, men marknadsmöjligheten är enorm. Bärbara bränsleceller har den verkliga potentialen att vara lönsamma på kortare tid än både stationära eller fordonsbränslecellapplikationer, säger Atakan Ozbek, vicepresident för energiforskning på Allied Business Intelligence, ett teknologiforskningsföretag i Oyster Bay, NY. Om fem år kan detta potentiellt vara en marknad för miljarder dollar per år. Den här branschen kommer att sparka.

Inte överraskande är ett lopp för att kommersialisera tekniken i full gång och inkluderar alla från Motorola och den koreanska elektronikjätten Samsung till nystartade företag som Hockadays. Konkurrenterna satsar på olika design - och till och med lite olika kemi - men de delar ett gemensamt mål: ta en bit ur världsmarknaden på 6 miljarder dollar för uppladdningsbara batterier.

Den första framgångsrika applikationen är troligen metanolbränsleceller som producerar ungefär en tiondels watt och kan ladda konventionella batterier, vilket befriar konsumenterna från instrumentbrädans tändare eller vägguttaget. Nästa kommer att vara bränsleceller som är tillräckligt små för att faktiskt passa i batterifacken på befintliga telefoner och ändå tillräckligt kraftfulla - en watt för mobiltelefoner, 50 watt för bärbara datorer - för att användas för direkt ström.

Även längre fram i horisonten kommer mikrochips att drivas direkt av inbyggda bränsleceller. Dessa bränsleceller kommer att ge en välsignelse för miniatyrisering genom att ta bort behovet av separata kraftkällor. De kommer att skräddarsys för att ge exakta kraftbehov. Och produktionskostnaderna bör sjunka när både chip och strömkälla tillverkas som en enhet. Självförsörjande chips kan i sin tur möjliggöra en framtida generation av självförsörjande prylar, som små nätverkssensorer som kan fungera i avlägsna områden, upptäcka föroreningar, biowarfare-gifter eller något annat som behöver upptäckas och skicka ut data i månader.

Blir liten

Problemet med konventionella batterier är att de förlitar sig på elektrokemi som dateras till slutet av 1700-talet, och de har några allvarliga begränsningar. Mest anmärkningsvärt, när tillförseln av kemikalier inuti batteriet har slutat reagera, dör batteriet. Du måste antingen ansluta den till en laddare ansluten till vägguttaget eller slänga den - helst i papperskorgen på grund av giftiga ingredienser som kadmium och kvicksilver. Och batterier kommer sannolikt inte att bli mycket bättre; praktiskt taget alla kemiska kombinationer har prövats, säger Shimshon Gottesfeld, teknisk chef på Albany, NY-baserade Mechanical Technology, ett företag som utvecklar mikrobränsleceller. Även de bästa batterierna har liten chans att gå mycket högre i den kraft de kan producera i vikt, säger han.

Bränsleceller är mer komplexa, men de har grundläggande fördelar. Så länge det finns tillgång till väte eller metanol kommer bränslecellen att producera el. Dessutom, tack vare de högenergibränslen de använder, producerar bränsleceller mer energi för sin vikt än vad batterier någonsin kommer att göra.

Men bränsleceller är svåra att konstruera, och de mindre är tuffast av alla. Designutmaningarna för mikrobränsleceller börjar med valet av bränsle. Väte är opraktiskt; det är en gas och måste komprimeras vid mycket höga tryck, och även då krävs tankar för stora för bärbar elektronik. Metanol/vattenblandningar lagras lättare i en liten bränslecell, men att använda dem skapar nya tekniska hinder. För att hantera ett flytande bränsle krävs små pumpar och rör. Sedan är det avloppsvattnet. Inte ens de mest ivriga mobiltelefonanvändarna skulle tolerera strömförsörjning som droppar på deras axlar, så bränsleceller måste avdunsta vattnet. Alla bränsleceller skapar värme; de små versionerna fungerar vid allt från 15 grader C till skållningstemperaturer på 60 grader C. Även om detta ger ett sätt att avdunsta avloppsvatten, kräver det också rätt balans mellan isolering och ventilation.

Att packa ihop allt detta i ett snyggt paket storleken på ett par AA-celler är en riktig utmaning. Och med tanke på den hårda konkurrensen om att kommersialisera en mikrobränslecell är de flesta företagsaktörer osäkra på hur de har börjat lösa dessa problem. Det finns mycket ställning bland företagen, men det är vad man kan förvänta sig i de tidiga stadierna när de försöker behålla sina positioner, säger bränslecellsövervakaren Chris Dyer, redaktör för Journal of Power Sources. Men, tillägger han, det här är inte rök och speglar. Det är en riktig teknik och kräver bara lite smart ingenjörskonst för att få det att fungera.

De flesta observatörer förutspår att den första mikrobränslecellen på butikshyllorna kommer att vara en laddningsenhet som använder metanol. Ett halvdussin företag arbetar med varianter av detta tema, inklusive Manhattan Scientifics. I Hockadays design är bränslecellskomponenterna inte arrangerade i en stack, som traditionella bilbränsleceller. Snarare är de utlagda sida vid sida, som komponenter på en mikroprocessor, vilket gör dem mottagliga för halvledartillverkningstekniker.

Mechanical Technology har redan varit med och grundat ett företag som säljer bränslecellskraftverk i kylskåpsstorlek för kommersiella och bostäder. Nu har Mechanical Technology siktet inställt på mindre saker, med början på laddningsenheter. Vi är mycket optimistiska om utsikterna för att kommersialisera detta, säger Mechanical Technologys Gottesfeld, tidigare chef för Los Alamos-labbets bränslecellsforskningsprogram. Vi tittar inte bara på laddare utan ett komplett system för mobiltelefoner. Vi tittar också på andra möjligheter som bärbara datorer, leksaksmarknaden och elverktyg.

Motorola och Koreas Samsung utvecklar också aktivt prototyper. Hyuk Chang, en huvudforskare vid Samsung Advanced Institute of Technology utanför Seoul, säger att företagets mål är att demonstrera fungerande modeller om ett år, återigen med laddningsenheter som leder vägen. Jag tror att det kommer att ta ytterligare två år att komma från labbet i kundernas händer, säger Chang. Den svåra frågan är vad som blir den första ansökan.

På Motorola driver bränslecellsprojektledaren Jerry Hallmark en strategi som lovar mindre bränslepatroner. Han säger att företaget har utvecklat små vätskesystem som kontinuerligt skulle återvinna vattnet i metanol-vattenbränsleblandningen. Ersättningspatroner kan bara innehålla outspädd metanol. Bränslecellen kan inte köras på koncentrerad metanol; det behöver en utspädd lösning. Men du vill inte bära ett utspätt bränsle, säger han. Hallmark tillägger att det sannolikt kommer att ta tre till fem år för alla företag – inklusive Motorola – att börja sälja en produkt.

Packa en punch

Vad Motorola och de andra företagen vill mest av allt är dock batteriliknande bränsleceller som snäpper fast direkt på telefoner och annan elektronik, för att driva dem direkt. Mobiltelefonen är en av de svåraste, eftersom folk skulle vilja byta ut sitt batteri mot en bränslecell av samma storlek. Jag skulle älska att kunna ge det till dem, men vi är långt ifrån att ha något sådant, säger Hallmark.

För att förverkliga denna vision följer företagen olika strategier. New York City-baserade Medis Technologies tror att det kan göra en bränslecell som kan ersätta mobiltelefonens batteri, vilket ger 20 timmars samtalstid för mobiltelefoner och hundratals timmars standby på en enda bränslepatron. Robert K. Lifton, Medis verkställande direktör, säger att företaget använder en egenutvecklad flytande elektrolyt som kan arbeta med högre koncentrationer av bränsle - och ge motsvarande mer kraft än konventionella alternativ. Men Medis säger inte exakt hur det fungerar. Vi har cirka 17 patent inlämnade, och vi väntar på att få dem innan vi diskuterar detaljerna, säger Lifton. Affärsstrategin kunde dock inte vara enklare: det är rakbladsmetoden. Utdelningen för oss skulle vara påfyllningarna, på cirka 1 dollar per påfyllning, förklarar Lifton. Han säger att Medis kommer att ha en prototyp i slutet av detta år.

En annan strategi innebär att bära metanol som bränsle och sedan omvandla det till väte vid behov. Eftersom väte packar mer kraft i vikt än metanol, skulle systemet kunna producera kraftfullare och effektivare bränsleceller. Robert Savinell, professor i kemiteknik vid Case Western Reserve University, försöker bygga just en så liten bränslecell; hittills har hans grupp byggt en 25 kvadratcentimeter stor prototyp.

Den kemiska omvandlingen av metanol till väte - ofta kallad reformering av ingenjörer - är tillräckligt enkel tekniskt sett, förutom när du försöker göra det på en enhet i miniatyrstorlek. Folk har byggt reformatorer i stor skala för kilowattapplikationer, så frågan är inte om det fungerar. Frågan är om du kan göra den tillräckligt liten för att passa i en mobiltelefon eller bärbar dator, säger Motorolas Hallmark.

Chip Power

Bortom den dag då elektronik kommer med inbyggda bränsleceller istället för batterier, skymtar en annan teknikgräns: att bygga bränsleceller direkt på chips. Redan har Savinells grupp på Case Western byggt en prototyp på bara 1,5 centimeter gånger två centimeter. Hans grupp använde mikrotillverkningstekniker för att skriva ut fem till sex lager av bränslecellskomponenter - membranet, elektroden och katalysatorn - på keramik- och kiselwafers, och mer nyligen på ett flexibelt polymermaterial. I denna skala använder han väte som bränsle, lagras som natriumborhydrid och frigörs med en platinakatalysator. Förhoppningen är att ge ström på ett chip med en sensor och en sändare - en helt självförsörjande enhet, säger Savinell.

Forskare vid Georgia Institute of Technology, MIT, Stanford University och Sandia National Laboratories i Livermore, CA, arbetar också med att bygga bränsleceller i chipsskala. För att få dessa enheter att köra på lättförvarad metanol, tillverkar Paul A. Kohl, professor i kemiteknik vid Georgia Tech, små kanaler på kisel genom vilka metanol och vatten kan passera. Dessa kanaler skulle kunna skapas på en konventionell kisel-chip monteringslinje. Du skulle kunna designa bränslecellen så att den levererar precis den kraft du vill ha och den storlek du vill, säger Kohl.

Utöver att krympa bränsleceller till chipskalan, är ett annat långsiktigt mål att göra det möjligt för bränsleceller att direkt utnyttja kraften hos vätgas men undvika högtryckstankar. Ett ambitiöst tillvägagångssätt skulle använda sig av kolnanorör: rörliknande kolmolekyler som har förmågan att lagra och frigöra väte. Forskare föreställer sig nanokapslar fulla av väte som kan hålla bränslecellerna brummande, men detta kommer att kräva genombrott inom material och tillverkningsmetoder, säger Michael Heben, ledare för en grupp för nanostrukturerade material vid det amerikanska energidepartementets nationella laboratorium för förnybar energi i Golden, CO. Det kan vara så att någon sätter fingret på det här nästa vecka, eller så kan det ta 20 år, säger han.

De mest trovärdiga, reproducerbara resultaten hittills, säger David Tomanek, professor i fysik vid Michigan State University, uppnåddes av Mildred Dresselhaus, en fysiker vid MIT, och kollegor vid den kinesiska vetenskapsakademin som rapporterade att de hittade ett sätt för kolnanorör att lagra 4,2 procent av deras vikt i väte. Det kan räcka för mikrobränsleceller, säger Tomanek. Den blir lättare, mindre och säkrare än en tank, till och med på fyra procent, och det skulle kunna göras om ett par år. Men jag är optimist, säger han. Dresselhaus själv är mer bevakad: Just nu har vi inte trollstaven. Vi har en öppning som säger: Det här är något att leta efter.’ Nästa steg saknas fortfarande. Det nästa steget kan komma inom det här decenniet, tillägger hon, men vi måste få ett stort genombrott.

Andra elektronikjättar experimenterar också med kolmolekyler för att förbättra mikrobränsleceller. NEC har rapporterat att de använder hornformade molekyler som kallas kolnanohorn som ett substrat för platinakatalysatorer, vilket ger mer yta för starkare kemiska reaktioner och mer kraft. Och Sony säger att de använder fotbollsformade kolmolekyler som kallas fullerener - baskomponenterna i kolnanorör - för att konstruera bättre elektrolyter.

Samtidigt närmar sig de första mikrobränslecellerna snabbt marknaden. Naturligtvis behöver prototyperna kontinuerligt finjusteras för att säkerställa att bränsle inte kan läcka och för att öka deras effektivitet. Men dessa hinder är relativt små, säger industribevakare. När allt kommer omkring hade batterier också sin del av utvecklingsproblem. De första högenergilitiumbatterierna tenderade att fatta eld och till och med explodera. Som alla mobiltelefonägare vet löstes dessa problem.

Det finns många anledningar - till ett värde av cirka 6 miljarder dollar, faktiskt - att antyda att samma sak kommer att hända med mikrobränsleceller, vilket lägger dessa anmärkningsvärda små kraftpaket i miljontals konsumenters fickor. I själva verket, när mikrobränsleceller dyker upp från röriga labb som Los Alamos utpost på Manhattan Scientifics, kan de lägga batterier, med sin begränsade kraft och huvudvärk för avfallshantering av tungmetaller, i teknikens papperskorg.

Dölj