Den amerikanska marinen distribuerar el ombord på de flesta av sina fartyg som ett kraftföretag. Den förlitar sig på ledare, transformatorer och annan skrymmande infrastruktur.
Installationen fungerar, men med kraftfulla nästa generations vapen vid horisonten och det allestädes närvarande målet om energieffektivitet, marinen söker alternativ till konventionella kraftkontrollsystem.
Ett alternativ innebär att använda grafen, som, sedan upptäckten 2004, har blivit det valda materialet för forskare som arbetar med att förbättra allt från solceller till smartphonebatterier.
Följaktligen, Office of Naval Research har tilldelat University at Buffalo -ingenjörer 800 dollar, 000 anslag för att utveckla smala remsor av grafen som kallas nanoband som en dag kan revolutionera hur makten styrs i fartyg, smartphones och andra elektroniska enheter.
"Vi måste utveckla nya nanomaterial som kan hantera större mängder energitätheter i mycket mindre enheter. Grafenanoribb visar ett anmärkningsvärt löfte i denna strävan, " säger Cemal Basaran, PhD, professor vid UB:s civila institution, Struktur- och miljöteknik, Högskolan för ingenjörsvetenskap, och anslagets huvudutredare.
Grafen är ett enda lager kolatomer packade ihop som en honungskaka. Den är extremt tunn, lätt och stark. Det är också den mest kända ledaren för värme och elektricitet.
"Det fina med grafen är att det kan odlas som biologiska organismer i motsats till att tillverka material med traditionella tekniker, säger Basaran, chef för UB:s elektroniska förpackningslaboratorium. "Dessa bioinspirerade material tillåter oss att kontrollera deras atomära organisationer som att kontrollera genetiska DNA-uppbyggnaden av en labbodlad cell."
Samtidigt som de lovar, forskare har precis börjat förstå grafen och dess potentiella användningsområden. Ett område av intresse är effektstyrningssystem.
Som luftledningar, de flesta fartyg förlitar sig på koppar eller andra metaller för att flytta el. Tyvärr, denna process är relativt ineffektiv; elektroner slår in i varandra och skapar värme i en process som kallas Joule-uppvärmning.
"Du tappar mycket energi på det sättet, " säger Basaran. "Med grafen, du undviker dessa kollisioner eftersom det leder elektricitet i en annan process, känd som halvballistisk ledning. Det är som ett höghastighetståg mot stötfångare."
En annan begränsning av metallbaserad kraftdistribution är den skrymmande infrastrukturen - transistorer, koppartrådar, transformatorer, etc. - behövs för att flytta el. Oavsett om det är i ett fartyg eller en surfplatta, komponenterna tar plats och ökar vikten.
Grafen nanoband erbjuder en potentiell lösning eftersom de kan fungera som både en ledare (istället för koppar) och halvledare (istället för kisel). Dessutom, deras förmåga att motstå fel under extrema energilaster är ungefär 1, 000 gånger större än koppar.
Det bådar gott för marinen, som, liknande segment inom bilindustrin, vänder sig mot elfordon.
Den lanserade nyligen en helelektrisk jagare; fartygets propellrar och drivaxlar vrids av elmotorer, i motsats till att vara kopplad till förbränningsmotorer. Det integrerade kraftgenererings- och distributionssystemet kan också användas för att avfyra nästa generations vapen, t ex järnvägspistoler och kraftfulla lasrar. Och automatiseringen har gjort det möjligt för marinen att minska fartygets besättning, vilket försätter färre seglare i potentiellt farliga situationer.
Graphene nanoribbons skulle kunna förbättra dessa system genom att göra dem mer robusta och energieffektiva, sa Basaran. Han och ett team av forskare kommer att:
Forskningen kommer att utföras under de kommande fyra åren.
