DOW-UAP-D147: אולטרה-קבלים כהתקני אגירת אנרגיה והספק

קובץ: DOW-UAP-D147_AAWSAP-DIRD-Ultracapacitors-as-Energy-and-Power-Storage-Devices-November-1-2010.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחונית (DIA), משרד האזהרה הביטחונית (Defense Warning Office), במסגרת תוכנית AAWSA סוג מסמך: מסמך ייחוס מודיעיני ביטחוני (DIRD), סדרת "Defense Futures"; מספר בקרה DIA-08-1011-005 תאריך: 1 בנובמבר 2010 (תאריך סגירת מידע, ICOD: 20 ביולי 2010) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY, כשהסימון FOUO מחוק בקו בכל עמוד; שוחרר לציבור ב-2026 מספר עמודים: 34 VIRIN: 260918-D-D0360-1136 שחרור PURSUE: 6

תקציר

מסמך DIRD זה הוא מבוא טכנולוגי לאולטרה-קבלים (ultracapacitors), המכונים גם קבלי-על (supercapacitors) או קבלים אלקטרוכימיים בעלי שכבה כפולה. על השער מופיעים סמל ה-DIA, הכותרת "Defense Futures", התאריך 1 בנובמבר 2010, תאריך סגירת מידע של 20 ביולי 2010 ומספר הבקרה DIA-08-1011-005. בעמוד הכותרת נכתב שהמסמך הוכן בידי החטיבה להתרעה טכנולוגית (Technology Warning Division, DWO-4) של משרד האזהרה הביטחונית, במנהלת הניתוח; המחברים מופיעים רק ככינויים "AAP Person 84, AAP Person 85", והמסמך מתואר כ"אחד מסדרה של דוחות טכנולוגיה מתקדמת שהופקו בשנת הכספים 2010" במסגרת תוכנית AAWSA. שאלות יש להפנות אל AAP Person 1, מנהל התוכנית.

הטיעון פשוט וחוזר לאורך כל המסמך: אולטרה-קבלים הם התקני הספק, לא התקני אנרגיה. הם קולטים או משחררים פרץ של הספק בתוך כשנייה ואפשר לטעון ולפרוק אותם מאות אלפי פעמים, אך הם אוגרים חלק קטן בלבד ממה שסוללה מחזיקה. המסמך עוקב אחר פשרה זו דרך החומרים, השווקים והשימושים הצבאיים, ומקדיש את הפרק הארוך ביותר שלו לחומרי אלקטרודה חדשים ול"קבל מגנטי" של חברת הזנק.

המסמך אינו מזכיר עב"מים, UAP או כלי טיס חריגים בשום מקום. מבין שנים-עשר התחומים הטכניים שבמסמך היעדים של AAWSAP (DOW-UAP-D110) הוא שייך באופן הטבעי ביותר לתחום ייצור ההספק (power generation), עם גלישות צדדיות לתחום החימוש (נשק אנרגיה מכוונת) ולתחום החתימות.

מאמר מחקר

מבנה ומקורות

אחרי עמוד תקציר אחד, גוף המסמך משתרע על 29 עמודים ממוספרים בשבעה פרקים: סקירת המושג (כולל השוואה לסוללות והיסטוריה), טכנולוגיית חומרים (אלקטרוליטים, אלקטרודות), יישומים (אלקטרוניקה ותקשורת, תעשייה, תחבורה, אווירונאוטיקה וחלל), התפתחויות אחרונות (ננו-צינוריות פחמן ופחמנים מתקדמים, שכבות דקות, קבלים מגנטיים), התפתחויות עתידיות, מסקנות והערות סיום. יש בו 16 איורים וארבע טבלאות. 47 הערות הסיום נשענות במידה רבה על גיליון אביב 2008 של כתב העת Interface של האגודה האלקטרוכימית, על ניירות לבנים של יצרנים (EPCOS, Tecate Group) ועל מאמרים ב-Science, ב-Nano Letters וב-Physical Review Letters; איור אחד מיוחס לוויקימדיה קומונס. אזהרת זכויות יוצרים אוסרת הפצה נוספת של התצלומים. אין במסמך מדידות שערכו המחברים עצמם, וזה תואם את התיאור הרשמי של מסמכי DIRD כסינתזה ולא כמחקר מקורי.

הפיזיקה: מטען המוחזק בשכבה כפולה

קבל רגיל אוגר אנרגיה בהפרדת מטען בין שני לוחות שביניהם חומר מבודד (דיאלקטרי). אולטרה-קבל אוגר אותה בשכבה הכפולה החשמלית (electrical double layer) הנוצרת במקום שבו אלקטרודת פחמן נקבובית פוגשת אלקטרוליט נוזלי, "a vanishingly thin gap between two plates" (מרווח דק עד כדי היעלמות בין שני לוחות, עמוד 6). המסמך מציג את שתי המשוואות המכריעות: יחס הלמהולץ C = εA/d, שבו A הוא שטח הפנים הזמין ו-d עובי השכבה הכפולה, ו-E = ½CV² לאנרגיה האגורה (עמוד 7). שני המנופים הם אפוא שטח הפנים והמתח. פחמן משופעל (activated carbon) יכול להגיע לשטח פנים מדוד של 3,000 מ"ר לגרם, אך ייתכן שפחות ממחציתו נגיש ושמיש בפועל.

מאחר שהאגירה פיזיקלית ולא כימית, "אין מנגנון התבלות ישיר המגביל את חיי המחזור", ולפי המסמך אפשר לעתים קרובות לטעון ולפרוק אולטרה-קבלים עשרות מיליוני פעמים (עמוד 8). טבלה 1 (עמוד 9), המבוססת במפורש על נתוני 2008, ממסגרת את הפשרה מול סוללת ליתיום-יון: טעינה ופריקה בתוך כשנייה לעומת 3-5 דקות; חיי מחזור של יותר מ-500,000 לעומת פחות מ-5,000; הספק סגולי של 5-10 קילוואט לק"ג לעומת 0.5-1; אבל אנרגיה סגולית של 5 ואט-שעה לק"ג בלבד לעומת 100-200. העלות היא 10-20 דולר לוואט-שעה לעומת 1-2 בסוללה, אך רק 25-50 דולר לקילוואט לעומת 75-150. הקיצור שמציע המסמך הוא לחשוב על סוללות כאוגרות ואט-שעות של אנרגיה ועל אולטרה-קבלים כאוגרים ואטים של הספק, ותרשים רגון (Ragone plot, איור 3) ממפה את שני התחומים. החסרונות נאמרים בגלוי: פריקה עצמית, מתח היורד באופן ליניארי ככל שההתקן מתרוקן, והצורך הנובע מכך בממיר הספק.

מ-SOHIO ועד מנופי נמל: היסטוריה וחומרים

המסמך מתארך את ההתקן המודרני ל-1966, אז רשמה עליו חברת Standard Oil Company of Ohio (SOHIO) פטנט (איור 4 משחזר את שרטוט הפטנט); NEC מכרה את ה-"SuperCapacitor" ברישיון החל מ-1978, ומצושיטה (Matsushita) שיפרה את האלקטרודות בשנות השמונים. התפקידים הראשונים היו גיבוי חשמלי לשבבי שעון ולזיכרון CMOS. עד 2010 נעו התאים בין מיליפאראדים לכמה קילופאראדים, תאים ייעודיים אחדים עברו 100 קילופאראד, והענף הגיע ל"מכירות של כמה מאות מיליוני דולרים בשנה" (עמוד 11).

פרק 2 עוקב אחר שלושה דורות של אלקטרוליטים (טבלה 3, עמוד 13). אלקטרוליטים מימיים (אשלגן הידרוקסידי, חומצה גופרתית, אלומיניום סולפט) מוליכים היטב אך מגבילים את התא לכ-1.2 וולט. ממסים אורגניים כמו פרופילן קרבונט ואצטוניטריל העלו את הדירוג ל-2.3-2.7 וולט ועד 3 וולט. נוזלים יוניים (ionic liquids) מגיעים ל-4 וולט במחיר התנגדות סגולית גבוהה, 125 אוהם-ס"מ ב-25 מעלות צלזיוס. יש כאן סתירה פנימית קטנה: עמוד 7 מייחס את המתח הגבוה של האלקטרוליט האורגני ל"קבוע דיאלקטרי גבוה יותר", ואילו עמוד 13 נותן את ההסבר המדויק יותר, "פוטנציאל פריצה גבוה יותר" (breakdown potential).

טבלה 2 (עמוד 12) משווה 18 התקנים מסחריים של אחד-עשר יצרנים, ובהם Maxwell, Ness, EPCOS, Panasonic, BatScap ו-JSR Micro, בדירוג של 2.5-3.8 וולט ובאנרגיה סגולית של 2.3 עד 12.1 ואט-שעה לק"ג; הנתונים הטובים ביותר שייכים לתכנונים היברידיים. שם המסמך רואה את הצעד הבא: "פסאודו-קבלים" (pseudocapacitors) שבהם אחת מאלקטרודות הפחמן מוחלפת בתחמוצת מתכת או בפולימר מוליך דמויי סוללה. תחמוצת רותניום מגיעה ל-1,300 פאראד לסמ"ק לעומת 110-125 פאראד לסמ"ק של פחמן באלקטרוליט מימי (עמוד 16), אם כי שיקולי אספקה ועלות דוחפים את החוקרים לתחמוצות מנגן וניקל. המסמך צופה שתכנונים כאלה יחזיקו "עשרות אלפי מחזורים", ושהנדסה בטווח הקרוב תעלה תאים מסחריים מ-4 ל-5-6 ואט-שעה לק"ג (עמוד 17).

יישומים, וסעיף מודיעיני קצר

פרק 3 נע מפלאש של מצלמות (כמיליארד טלפונים עם מצלמה נמכרו ב-2009) ומכרטיסי נתונים של GSM, GPRS ו-WiMAX, שבהם שיאי השידור חורגים ממה ש-USB מסוגל לספק, אל מלגזות, מנופים, מעליות ואיזון רשת החשמל בחוות רוח. איור 6 מציג מלגזה מונעת בתא דלק, שבה האולטרה-קבל קולט אנרגיה כשהמטען יורד ומחזיר אותה בהרמה הבאה. בתחבורה מציין המסמך כי "השימושים המוקדמים ביותר באולטרה-קבלים היו בהתנעת מנועים לטנקים ולצוללות", וכי האימוץ הצבאי הוזיל אותם דיו לשימוש במשאיות ובקטרים; במערכת היברידית של אולטרה-קבל וסוללה, בלימה רגנרטיבית יכולה להשיב "עד 38% מאנרגיית ההנעה" (עמוד 19). הסעיף על אווירונאוטיקה וחלל מונה אלקטרוניקה חסינת כשל בכלי רכב צבאיים, מערכות בקרת אש, כריות אוויר, "הספק הגישור" בזמן שמטוס עובר מאספקה קרקעית לאספקה עצמית, התנעת מנועים קרים, טילים ופגזים מונחי GPS, הספק פולסי ימי ונשק אנרגיה מכוונת.

הקטע היחיד הכתוב מנקודת מבט מודיעינית הוא חצי עמוד תחת הכותרת "Signatures and Vulnerabilities" (חתימות ופגיעויות, עמוד 20). משפט הפתיחה שלו, המודגש בצהוב בעותק שפורסם, קובע שאולטרה-קבלים "עשויים להיות חשובים בפיתוח נשק אנרגיה אולטרה-רחב-פס", נישה שלפי המסמך נשלטה קודם לכן בידי מתגי מוליכים למחצה אקוסטיים (bulk acoustic semiconductor switch, BASS). המסמך טוען שפריקה מהירה תפלוט "חתימת RF רחבת-פס ייחודית" שאפשר לגלות ב"מקלט רחב-פס צנוע", שהחתימה עשויה לחשוף את סוג ההתקן, ושאולטרה-קבלים שאינם בשימוש עלולים להסגיר את עצמם בפוטנציאלים האלקטרוסטטיים הגדולים שלהם. פסקת המשך ("Stimulated Discharge", פריקה מעוררת, עמוד 21) מונה נושאי מחקר כמו ניתוח פגיעות של מעגלים ו"ניסויי פריקה מעוררת במעבדה". אין נתונים או מקרים התומכים בנקודות אלה; הן מוצגות כראויות למחקר נוסף.

פחמנים חדשים וה"קבל המגנטי"

פרק 4 סוקר את חזית החומרים. "יערות" של ננו-צינוריות פחמן (CNT forests) הניצבים למצע הניבו בתחילה קיבול מאכזב, שיוחס לדפנות דוחות מים, והבעיה טופלה בשינוי כימי של פני השטח (functionalization). המסמך ממחיש אותם ביער שגודל במרכז הטכנולוגיה המתקדמת של לוקהיד מרטין (LMATC, איור 7), ומזכיר סיבי זכוכית מצופי ננו-צינוריות ממעבדת NEARLab של החברה כאפשרות לאגירת אנרגיה מבנית. הנתונים התאורטיים של גרפן מוצגים כשטח פנים של 2,600 מ"ר לגרם, מוליכות תרמית של 5,000 ואט למטר-קלווין וניידות נושאי מטען של 200,000 סמ"ר לוולט-שנייה, לעומת קיבול מדוד של 135-205 פאראד לגרם (עמוד 23). פחמנים המופקים מקרבידים (carbide-derived carbons), המיוצרים בהרחקת המתכת מקרבידים בעזרת כלור ב-500-1,000 מעלות, מאפשרים לכוונן את גודל הנקבוביות "בדיוק של פחות מאנגסטרום"; עבודה שהמסמך מייחס לאוניברסיטת דרקסל מצאה שנקבוביות קטנות מננומטר מגדילות את הקיבול אף שהיונים המומסים גדולים מהן, ממצא המוסבר ב"מודל של מעטפת יונים מעוותת" (עמוד 24). מאחר שאפשר לבצע את ההכלרה ב-200 מעלות, ניתן לגדל שכבות כאלה על אותו שבב שעליו נמצאים המעגלים שהן מזינות (איור 10). הטקסט מציין טווח עובי של "200 עד כ-2 מ"מ", אך הציר של איור 11 הוא במיקרומטרים, ככל הנראה פליטת קולמוס.

הטענות הבולטות ביותר נוגעות ל-MCap של חברת Northern Lights Semiconductor Corp. (NLSC), שבפיתוח מאז 2007. הוא נשען על קיבול מגנטי ענק (giant magnetocapacitance, GMC), שהמסמך מכנה "אפקט קוונטי-מכני" הנצפה בערימות של שכבות דקות פרומגנטיות ולא-מגנטיות לסירוגין, בדרך כלל רק בטמפרטורות נמוכות בהרבה מ-273 קלווין. תאי הננו של NLSC, כל אחד בגודל של כ-1.6 על 0.55 מיקרומטר (איור 12), מתוארים כמפגינים GMC מעל 300 קלווין, והמסמך קובע כי GMC הניב קיבול "שנמדד כגדול פי 10⁹ מזה של קבלים אלקטרוסטטיים", ושזליגה ופריקה עצמית "מבוטלות למעשה" (עמוד 27). איורים 13-15 מציגים עקומות בדיקה (סדרה אחת מיוחסת לחברת Taiyo Yuden), את הגידול במספר תאי הננו התקינים עד 2009, ואת התחזית של NLSC עצמה שלפיה מקדם GMC בייצור של כ-10⁹ יעקוף את האנרגיה הסגולית של ליתיום-יון בעלות נמוכה בהרבה, ו"ישבש הן את שוק סוללות הליתיום-יון והן את שוק האולטרה-קבלים" (עמוד 29).

את הסעיף הזה יש לקרוא בזהירות. הוא נשען על נתונים שדיווחה החברה המפתחת. הערות הסיום מפנות למחקר שעבר ביקורת עמיתים על קיבול מגנטי ענק באופן כללי (מנגניטים של יסודות נדירים, DyMn2O5, שכבות SnO2 מסוממות), אך לא לפרסום כלשהו המתאר את התקן ה-MCap עצמו. גם הטון שיווקי: המסמך מוסיף כי "בשילוב עם הניסיון הנרחב של לוקהיד מרטין בננו-חומרים ובפיזיקה של התקנים, סביר ש-NLSC תוכל לנצל את מומחיות פיתוח ה-MRAM שלה כדי להשיג זאת". הגדלת קיבול פי מיליארד בהתקן מעשי תהיה תוצאה יוצאת דופן, והסעיף אינו דן במתח שתאים כאלה מסוגלים לשאת, נתון החשוב לאנרגיה האגורה לא פחות מן הקיבול.

תחזית עד 2030 ואילך

פרק 5 משרטט ציר זמן. לשנים 2010-2020 הוא צופה אלקטרודות, אלקטרוליטים ואריזות טובים יותר ומעבר לתכנונים אסימטריים, וקובע כי "גם התקני שכבה דקה וגם MCap יהפכו לנפוצים"; אם MCap יגיעו לאנרגיה הסגולית של ליתיום-יון, אימוצם יהיה "מהיר ומהפכני". לשנים 2020-2030 הוא צופה פחמנים מתקדמים, תאים היברידיים, תחליף לתחמוצת הרותניום, אלקטרוליטים של נוזלים יוניים ואלקטרודות תלת-ממדיות המשולבות בשבבים. לאחר 2030 הוא נמנע מדיוק, ואז צופה ש"כמעט כל המעגלים המיקרו-אלקטרוניים ישלבו אולטרה-קבלי שכבה דקה או MCap, ומחשבים ניידים יהיו בגודל של iPhone, עם פונקציות המופעלות בעיקר בקול" (עמוד 31). איור 16 ממחיש את ההתכווצות בתמונות לשנים 2010, 2020, 2030 ו-2050. המסקנות (עמוד 32) מוסיפות ששיפור אלקטרודת הפחמן לבדו "עשוי להכפיל את צפיפות האנרגיה", ומסתיימות בהערה מדיניותית: על הממשל להבין את "החתימות הספקטרליות הייחודיות" שההתקנים האלה מייצרים.

משמעות

D147 הוא תמונת מצב מקצועית משנת 2010 של טכנולוגיה מרכזית ומוכרת, לא של טכנולוגיה אקזוטית. הקשר שלו ל-AAWSAP עובר דרך ההספק: פלטפורמה אווירית-חללית עתידית, נשק אנרגיה מכוונת או מנוע חשמלי צריכים לאגור ולשחרר פרצי הספק גדולים, והמסמך מציין "אגירה ואספקה של הספק פולסי להנעה חשמלית ולנשק אנרגיה מכוונת" כיישום הסופי (עמוד 5). נקודת המבט של סדרת "Defense Futures", שעניינה התרעה, ניכרת בחצי העמוד על חתימות RF ובקריאה החותמת לממשל האמריקאי לעקוב אחר הטכנולוגיה. המסמך אינו אומר דבר על UAP ואינו קושר את נושאו לתופעות בלתי מוסברות. ההסתייגויות העיקריות הן נתוני ההשוואה מ-2008 (שהמחברים עצמם מודים בהתיישנותם), התחזיות, והעובדה שהסעיף הדרמטי ביותר נשען על טענותיה של חברה אחת ומוצג לצד אזכורים אוהדים של מעבדות לוקהיד מרטין. בקריאה לצד מסמכי ה-DIRD בשחרור זה על הנעת עיוות ועל חורי תולעת (DOW-UAP-D138, DOW-UAP-D139), הוא מראה עד כמה רחבה הייתה ספריית הייחוס של AAWSAP, מפיזיקה ספקולטיבית ועד הנדסה שכבר נמכרה בשוק.

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"Ultimately, application will be pulsed power storage and delivery for electric propulsion and directed-energy weapons." (בסופו של דבר, היישום יהיה אגירה ואספקה של הספק פולסי להנעה חשמלית ולנשק אנרגיה מכוונת.) -- עמוד 5

"To better understand the differences between batteries and ultracaps, it helps to think of batteries as storing watt-hours of energy and ultracaps as storing watts of power." (כדי להבין טוב יותר את ההבדלים בין סוללות לאולטרה-קבלים, מועיל לחשוב על סוללות כאוגרות ואט-שעות של אנרגיה ועל אולטרה-קבלים כאוגרים ואטים של הספק.) -- עמוד 9

"Earliest uses of ultracapacitors were in motor startup for tanks and submarines." (השימושים המוקדמים ביותר באולטרה-קבלים היו בהתנעת מנועים לטנקים ולצוללות.) -- עמוד 19

"Because ultracapacitors have very high discharge rates, they will emit a distinctive broadband RF signature when discharged. A modest wideband receiver may be able to detect this discharge; its proximity will depend upon the construction of the target device." (מאחר שלאולטרה-קבלים קצבי פריקה גבוהים מאוד, הם יפלטו חתימת RF רחבת-פס ייחודית בעת הפריקה. מקלט רחב-פס צנוע עשוי להיות מסוגל לגלות פריקה זו; המרחק הנדרש יהיה תלוי במבנה התקן המטרה.) -- עמוד 20

"When searching for ultracaps in the field that are not in use, the large electrostatic potentials may provide a clue." (בחיפוש בשטח אחר אולטרה-קבלים שאינם בשימוש, הפוטנציאלים האלקטרוסטטיים הגדולים עשויים לספק רמז.) -- עמוד 20

"Based on quantum theory, GMC brings about a capacitance which, to date, has been measured to be 10⁹ times larger than that observed in electrostatic capacitors." (על בסיס תורת הקוונטים, GMC מביא לקיבול שנמדד עד כה כגדול פי 10⁹ מזה הנצפה בקבלים אלקטרוסטטיים.) -- עמוד 27

"It can be expected, however, that nearly all microelectronic circuitry will incorporate thin-film ultracaps or MCaps, and laptop computers will become the size of an iPhone with mostly voice-activated functions." (עם זאת, אפשר לצפות שכמעט כל המעגלים המיקרו-אלקטרוניים ישלבו אולטרה-קבלי שכבה דקה או MCap, ומחשבים ניידים יהיו בגודל של iPhone, עם פונקציות המופעלות בעיקר בקול.) -- עמוד 31

"Their specific performance capabilities must be optimally utilized and we must have a keen understanding and awareness of the unique spectral signatures these devices generate when storing high power and in charge or discharge modes." (יש לנצל באופן מיטבי את יכולות הביצוע הייחודיות שלהם, ועלינו להחזיק בהבנה ובמודעות חדות לחתימות הספקטרליות הייחודיות שהתקנים אלה מייצרים בעת אגירת הספק גבוה ובמצבי טעינה או פריקה.) -- עמוד 32