太阳能水下航行器能否帮助我们更好地了解海洋

自从地图制作者在已探索的海洋边缘绘制龙和海怪以来，海洋一直提供着未探索的奥秘。几个世纪以来，我们取得的进展却少之又少——世界上只有大约5%的海洋被绘制成地图。

自主水下航行器(AUV)和遥控水下航行器(ROUV)可能会帮助我们比以前探索得更深、更远，但随之而来的是另一个问题——电力。

主要障碍在于电池的功率周期短以及缺乏持续的车载电源。为了克服这些挑战，研究人员致力于开发替代能源解决方案，使AUV和ROUV能够在不受潜水模式限制或无需重新浮出水面充电的情况下运行。此外，其目标是为固定水下传感器和通信网络创建电源，使其不再仅仅依赖电池或需要物理系绳来供电。

太阳能是一种潜在的解决方案——阳光可以惊人地深入海洋。如果可以利用这种能量，只需将其转换即可，纽约大学坦顿分校的一组研究人员正在探索如何使太阳能用于水下航行器。

在《自然光子学》杂志上一篇名为“深入水下太阳能电池”的新文章中，化学与生物分子工程系的JasonA.Röhr和AndréTaylor等团队阐述了这一新兴领域所面临的问题。

虽然利用波浪、潮汐、洋流和渗透力的海洋发电技术具有一定的潜力，但它们依赖于位置并且缺乏便携性。一个例外是海洋热能转换(OTEC)，它利用海面和更深水域之间的温度梯度。尽管OTEC已成功用于长时间为AUV提供动力，但其对特定潜水模式的依赖以及对热带和亚热带地区的有限适用性阻碍了固定水下设备的实施。

太阳能就像陆地上一样，无处不在、可用且强大，甚至在地表以下也是如此。阳光保持一致并且可以有效利用。可见光，特别是光谱中绿光到蓝光部分，可以穿透50米深的水域，为基本电器的运行提供足够的能量。

通过利用太阳能电池，可以为固定传感器、通信设备供电，甚至可以将太阳能与OTEC结合起来，实现远程AUV操作和真正的自主。但我们目前使用的太阳能电池可能不合格。

研究人员深入研究了太阳能电池在水下应用的潜力，重点介绍了为AUV和通信设备供电的成功实施示例，同时分析了其缺点。具体来说，他们确定了普通硅太阳能技术在水下环境中的不足之处——除了水分和盐分含量(一般电子产品的敌人)之外，太阳能电池的设计目的是吸收红光和红外光，这些光谱部分不能穿透很远进入水中。

磷化镓铟(GaInP)和碲化镉(CdTe)等替代技术已展现出更高的效率以及在海水特定条件下进行优化的潜力。有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池(OSC和PSC)等下一代太阳能电池也在考虑之中。

寻找完美的吸收材料只是水下太阳能电池面临的主要问题之一。生物污垢是由微生物、植物和小型动物组成的有机物质的逐渐积累，对各种海洋技术，特别是在浅海区域运行的技术提出了巨大的挑战。

这种有机物外壳减少了太阳能电池的光进入，阻碍了光伏过程及其后续性能。此外，这种负担延伸到水下车辆本身，物质积聚在其船体上，增加了重量并产生水动力阻力。在之前的实验中，在水下仅30天后，污垢就覆盖了超过50%的表面，这将阻碍太阳能电池的运行能力。

在论文中，研究人员还讨论了设计和测试此类太阳能电池的实际问题。虽然纽约大学坦顿分校距离海洋只有一段地铁路程，但没有水源的机构无法轻松测试任何潜在的设计，并且无论如何都不建议使用潜在危险材料现场测试太阳能电池和电池。

研究人员提出的一种解决方案是使用LED灯来模拟不同深度的可用光谱，而根本不需要水。他们的研究表明，硅基太阳能电池在浅水深度上的表现优于竞争对手，但其他电池在两米以下的深度上效率更高。研究人员还指出了一些其他测试选项。

虽然这些专为水生环境而设计的新型太阳能电池还处于开发的早期阶段，但研究人员的贡献可以为技术奠定基础，从而阐明我们对太阳能和自古以来一直吸引着人类的未开发海洋的理解。我们首先起航。

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