Πέμπτη 26 Οκτωβρίου 2017

The water splits down into hydrogen and oxygen

Army discovery may offer new energy source


Army researcher Anthony J. Roberts inflates a balloon with hydrogen produced from a chemical reaction between water and an aluminum nanomaterial powder discover at the U.S. Army Research Laboratory at Aberdeen Proving Ground, Maryland. (U.S. Army photo by David McNally)

ABERDEEN PROVING GROUND, Md. (July 24, 2017) -- Army scientists and engineers recently made a discovery. An aluminum nanomaterial of their design produces high amounts of energy when it comes in contact with water, or any liquid containing water.
During routine materials experimentation at the U.S. Army Research Laboratory, a team of researchers observed a bubbling reaction when adding water to a nano-galvanic aluminum-based powder.
"We all as a team were very excited and ecstatic that something good had happened," said Dr. Anit Giri, a physicist with the lab's Weapons and Materials Research Directorate.
The team further investigated and found that water — two molecules of hydrogen and one of oxygen — splits apart when coming into contact with their unique aluminum nanomaterial.
The reaction surprised the researchers, but they soon considered its potential implications for future power and energy applications.
"The hydrogen that is given off can be used as a fuel in a fuel cell," said Scott Grendahl, a materials engineer and team leader. "What we discovered is a mechanism for a rapid and spontaneous hydrolysis of water."
Scientists have known for a long time that hydrogen can be produced by adding a catalyst (a substance that increases a chemical reaction rate) to aluminum. But these methods take time, elevated temperature, added electricity, and/or toxic chemicals such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, or acid.
"In our case, it does not need a catalyst," Giri said. "Also, it is very fast. For example, we have calculated that one kilogram of aluminum powder can produce 220 kilowatts of energy in just three minutes."
That metric doubles if you consider the amount of heat energy produced by the exothermic reaction, he said.
"That's a lot of power to run any electrical equipment," Giri said. "These rates are the fastest known without using catalysts such as an acid, base or elevated temperatures."
The team demonstrated a small radio-controlled tank powered by the powder/water reaction. Moments after mixing the powder with to a small amount of water, a bubbling reaction produced a great deal of hydrogen, which was then used to power the model around the laboratory.
"We just take our material, put it in the water and the water splits down into hydrogen and oxygen," Grendahl said.
Grendahl said the discovery is dramatic in terms of what can be achieved.
"There are other researchers who have been searching their whole lives and their optimized product takes many hours to achieve, say 50 percent efficiency," Grendahl said. "Ours does it to nearly 100 percent efficiency in less than three minutes."
Additionally, since the nanomaterial powder has the potential to be 3-D printed, researchers envision future air and ground robots that can feed off of their very structures and self-destruct after mission completion.
Researchers said one possible application of the discovery that may help future Soldiers is the potential to recharge mobile devices for recon teams.
"These teams are out for a short number of days, three to five days, and a lot of that depends not only on their food supplies, but on how long their supplies last in terms of their equipment and right now that stems from lithium batteries," Grendahl said. "If we can recharge those batteries, they can stay out longer."
Giri said the Army Research Laboratory is all about giving Soldiers the advantage.
"We work here to help our Soldiers," Giri said. "That is our sole aim. This material we have developed will do so."
The next steps are to document the discovery with scholarly papers and intellectual property protections, some of which are ongoing, and to coordinate further applications with scientists and engineers across the laboratory.
"We all feel pretty good that this can contribute to a new kind of research to generate power at ease and at will," Giri said. "I come to work every day excited and enthusiastic."

The U.S. Army Research Laboratory, currently celebrating 25 years of excellence in Army science and technology, is part of the U.S. Army Research, Development and Engineering Command, which has the mission to provide innovative research, development and engineering to produce capabilities that provide decisive overmatch to the Army against the complexities of the current and future operating environments in support of the joint warfighter and the nation. RDECOM is a major subordinate command of the U.S. Army Materiel Command.

„The important aspect of the approach is that it lets you make very compact systems. That would be very useful for systems which need to be very light or operate for long periods on hydrogen, where the use of hydrogen stored in a cylinder is prohibitive“, so Anthony Kucernak, ein Experte für Brennstoffzellen vom Imperial College London, gegenüber der Zeitschrift New Scientist.
JULY 24, 2017
By David McNally, ARL Public Affairs
http://www.arl.army.mil/www/default.cfm?article=3036


Wasserstoff könnte die Antwort auf die Versuche der Menschheit sein, sich von fossilen Brennstoffen zu lösen. Das Problem: Für die Gewinnung von Wasserstoff ist ein relativ hoher Energieaufwand nötig, was die Nutzung des Stoffes als Treibstoff schwieriger macht. Die Wissenschaft arbeitet daher kontinuierlich an neuen Methoden, mit denen die Wasserstoffgewinnung effizienter abläuft. Wer den Film „Der Marsianer“ gesehen hat, der wird sich an eine Szene erinnern, in der der auf dem Mars zurückgelassene Astronaut Mark Watney aus einem Wasserstoff-Treibstoff Wasser gewinnt. Forscher des US Army Proving Ground Research Laboratory haben nun eine Methode entwickelt, bei der dieser Prozess umgekehrt wird, ohne dass dazu viel Energie benötigt wird.
Die Forscher der US Army ließen es sich natürlich nicht nehmen, die Methode auf eine Art und Weise zu demonstrieren, die ihnen entspricht.Foto: David McNally / U.S. Army

Wasserstoff-Reaktion ohne großen Energieaufwand

Die Wissenschaftler machten während der Entwicklung einer starken Aluminium-Legierung eine erstaunliche Entdeckung: Wasser, das mit der Legierung in Kontakt kam, begann ein Gas zu entwickeln, das sich als Wasserstoff entpuppte. Die Reaktion ist ungewöhnlich. Normalerweise oxidiert Aluminium beim Kontakt mit Wasser und bildet eine Art Schutzschicht, die weitere Reaktionen verhindert. Die von den Wissenschaftlern beobachtete Reaktion jedoch lief einfach weiter, solange es genügend Nachschub an Wasser gab. Möglicherweise sind die Forscher durch Zufall auf eine portable und energieeffiziente Methode zur Herstellung von Wasserstoff gestoßen.
Dank der neuen Aluminium-Legierung könnte Wasserstoff sozusagen unterwegs bei Bedarf gewonnen werden. Dies würde Wasserstoff-Brennstoffzellen deutlich attraktiver machen, da es nicht mehr nötig wäre, Wasserstoff unter Druck zu transportieren. Der benötigte Treibstoff könnte einfach unterwegs hergestellt werden – alles, was dazu nötig wäre, wäre ein Tank voller Wasser und ein paar Aluminium-Stücke.
Fast 100 Prozent Effizienz

Vorherige Versuche mit Aluminium-Wasser-Reaktionen waren immer auf einen Katalysator oder hohe Temperaturen angewiesen und zudem vergleichsweise langsam. Die Effizienz der Reaktionen lag bei maximal 50 Prozent und es dauerte Stunden, bis genug Wasserstoff gewonnen werden konnte. Die Methode, über die die Army-Forscher stolperten, ist deutlich schneller und erreicht eine Effizienz von nahezu 100 Prozent.
Und besser noch: Die Legierung ist relativ einfach, günstig und ohne viel Energieaufwand herzustellen. Als Ausgangsmaterial werden lediglich ein paar Aluminium-Abfälle benötigt.

Methode könnte Wasserstoff zum Durchbruch verhelfen

Wasserstoff wird seit längerem als eine Alternative zu fossilen Brennstoffen gehandelt. Bisher konnte sich Wasserstoff als Treibstoff aber nicht durchsetzen. Nicht nur, dass die Gewinnung des Stoffes ein energiehungriger Prozess ist, Wasserstoff kann auch nur unter Druck transportiert werden. Die neue Legierung hat das Potential, einige der Probleme mit Wasserstoff aus der Welt zu räumen.
Die Forscher der US Army glauben, dass der Prozess hochskaliert und in Brennstoffzellen verwendet werden kann. Im nächsten Schritt wollen sie die Methode im praktischen Einsatz testen.


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