La marine américaine distribue l'électricité à bord de la plupart de ses navires comme une compagnie d'électricité. Il s'appuie sur des conducteurs, transformateurs et autres infrastructures encombrantes.
La configuration fonctionne, mais avec des armes puissantes de nouvelle génération à l'horizon et l'objectif omniprésent de l'efficacité énergétique, la Marine cherche des alternatives aux systèmes de contrôle de puissance conventionnels.
Une option consiste à utiliser du graphène, lequel, depuis sa découverte en 2004, est devenu le matériau de choix pour les chercheurs travaillant à tout améliorer, des cellules solaires aux batteries de smartphones.
Par conséquent, l'Office of Naval Research a décerné aux ingénieurs de l'Université de Buffalo un montant de 800 $, 000 000 pour développer des bandes étroites de graphène appelées nanorubans qui pourraient un jour révolutionner la façon dont l'énergie est contrôlée dans les navires, smartphones et autres appareils électroniques.
"Nous devons développer de nouveaux nanomatériaux capables de gérer de plus grandes quantités de densités d'énergie dans des dispositifs beaucoup plus petits. Les nanorubans de graphène sont très prometteurs dans cette entreprise, " dit Cemal Basaran, Doctorat, professeur au Département de civil de l'UB, Génie des structures et de l'environnement, École d'ingénieurs et sciences appliquées, et le chercheur principal de la subvention.
Le graphène est une couche unique d'atomes de carbone regroupés comme un nid d'abeilles. Il est extrêmement fin, léger et fort. C'est aussi le conducteur de chaleur et d'électricité le plus connu.
"La beauté du graphène est qu'il peut être cultivé comme des organismes biologiques par opposition à la fabrication de matériaux avec des techniques traditionnelles, " dit Basaran, directeur du laboratoire d'emballage électronique de l'UB. "Ces matériaux bio-inspirés nous permettent de contrôler leurs organisations atomiques, comme le contrôle de la constitution génétique de l'ADN d'une cellule cultivée en laboratoire."
Tout en promettant, les chercheurs commencent tout juste à comprendre le graphène et ses utilisations potentielles. Un domaine d'intérêt est celui des systèmes de contrôle de puissance.
Comme les lignes électriques aériennes, la plupart des navires dépendent du cuivre ou d'autres métaux pour transporter l'électricité. Malheureusement, ce processus est relativement inefficace; les électrons se heurtent les uns aux autres et créent de la chaleur dans un processus appelé chauffage Joule.
"Vous perdez beaucoup d'énergie de cette façon, " dit Basaran. " Avec le graphène, vous évitez ces collisions car il conduit l'électricité dans un processus différent, connue sous le nom de conduction semi-balistique. C'est comme un train à grande vitesse contre des autos tamponneuses."
Une autre limitation de la distribution d'énergie à base de métal est l'infrastructure volumineuse - transistors, fils de cuivre, transformateurs, etc. - nécessaire pour déplacer l'électricité. Que ce soit dans un bateau ou une tablette, les composants prennent de la place et ajoutent du poids.
Les nanorubans de graphène offrent une solution potentielle car ils peuvent servir à la fois de conducteur (au lieu de cuivre) et de semi-conducteur (au lieu de silicium). De plus, leur capacité à résister aux défaillances sous des charges énergétiques extrêmes est d'environ 1, 000 fois plus grand que le cuivre.
C'est de bon augure pour la Marine, lequel, comme des segments de l'industrie automobile, pivote vers les véhicules électriques.
Il a récemment lancé un destroyer tout électrique; les hélices et les arbres de transmission du navire sont entraînés par des moteurs électriques, au lieu d'être connecté à des moteurs à combustion. Le système intégré de production et de distribution d'énergie peut également être utilisé pour tirer des armes de nouvelle génération, tels que les railguns et les lasers puissants. Et l'automatisation a permis à la Marine de réduire l'équipage du navire, ce qui place moins de marins dans des situations potentiellement dangereuses.
Les nanorubans de graphène pourraient améliorer ces systèmes en les rendant plus robustes et économes en énergie, dit Basaran. Lui et une équipe de chercheurs vont :
La recherche sera effectuée au cours des quatre prochaines années.
