Atomová baterie

Typický scénář budoucích technologií vyžaduje miliony nízkovýkonových radiofrekvenčních zařízení rozmístěných po celém našem prostředí – od pole senzorů na úrovni továrny přes lékařské implantáty až po chytrá zařízení pro bojiště.

Kvůli krátké a nepředvídatelné životnosti chemických baterií by však byly nutné pravidelné výměny, aby tato zařízení zůstala bzučet. Palivové články a solární články vyžadují malou údržbu, ale ty první jsou pro takové skromné ​​aplikace s nízkou spotřebou příliš drahé a ty druhé potřebují dostatek slunce.

Třetí možnost však může poskytnout výkonnou – a bezpečnou – alternativu. Jmenuje se Direct Energy Conversion (DEC) Cell, betavoltaická jaderná baterie, která může běžet více než deset let na elektronech generovaných přirozeným rozpadem radioaktivního izotopu tritia. Vyvinuli jej výzkumníci z University of Rochester a startup BetaBatt v projektu popsaném ve vydání Advanced Materials z 13. května a částečně financovaném National Science Foundation.

Vzhledem k tomu, že poločas rozpadu tritia je 12,3 roku (doba, za kterou byla vyzářena polovina jeho radioaktivní energie), DEC Cell by mohl poskytnout energii v hodnotě deseti let pro mnoho aplikací. Je jasné, že by to byla ekonomická výhoda – zejména pro aplikace, ve kterých je výměna baterií velmi nepohodlná, jako je medicína a ropný a těžební průmysl, kde jsou senzory často umístěny na nebezpečných nebo těžko dostupných místech.

Jedním z našich hlavních trhů jsou vzdálené, velmi obtížně vyměnitelné senzory, říká Larry Gadeken, hlavní vynálezce a prezident společnosti BetaBatt. Tuto [baterii] můžete umístit jednou a nechat ji být.

Betavoltaická zařízení používají radioizotopy, které emitují relativně neškodné beta částice, spíše než nebezpečnější gama fotony. Ve skutečnosti byly testovány v laboratořích již 50 let – ale generují tak málo energie, že pro ně dosud nebylo nalezeno větší komerční uplatnění. Doposud se k osvětlení únikových značek a svítících hodinek ve tmě používala betavoltaika napájená tritiem, která vyžaduje minimální stínění a není schopna proniknout lidskou kůží. Komerční verze DEC Cell pravděpodobně nebude mít dostatek šťávy pro napájení mobilního telefonu – ale dostatek pro senzor nebo kardiostimulátor.

Klíčem k tomu, aby byl DEC Cell životaschopnější, je zvýšení účinnosti, se kterou vytváří energii. V minulosti výzkumníci betavoltaiky používali design podobný solárnímu článku: plochý plátek je potažen diodovým materiálem, který vytváří elektrický proud, když je bombardován emitovanými elektrony. Nicméně všechny částice elektronů, které vystřelují směrem k diodám, jsou v tomto návrhu ztraceny, říká profesor elektrického a počítačového inženýrství Phillipe Fauchet z University of Rochester, který vyvinul efektivnější design založený na Gadekenově konceptu.

Řešením bylo vystavit částicím větší část reaktivního povrchu vytvořením porézního křemíkového diodového plátku posypaného jeden mikron širokými, 40 mikronů hlubokými prohlubněmi. Když radioaktivní plyn obsadí tyto jámy, vytvoří maximální příležitost pro využití reakce.

A co je důležité, proces je snadno reprodukovatelný a levný, říká Fauchet – nutnost, pokud má být DEC Cell komerčně životaschopný.

Techniky výroby mohou být cenově dostupné, ale samotné tritium – vedlejší produkt výroby jaderné energie – je stále dražší než lithium v ​​baterii vašeho mobilního telefonu. Cena je však menší problém u zařízení navržených speciálně pro sběr těžko dostupných dat.

Náklady jsou pouze jedním z důvodů, proč Gadeken říká, že nebude pokračovat na trhu se spotřební elektronikou, která je hladová po bateriích. Mezi další problémy patří regulační a marketingové překážky, které představuje napájení zařízení pro hromadný trh radioaktivními materiály a velká velikost baterie, která by byla nutná k výrobě dostatečného výkonu. Přesto říká, že technologie by mohla být jednoho dne použita jako zařízení pro pomalé dobíjení lithium-iontových baterií.

Místo toho se jeho společnost zaměřuje na tržní sektory, které potřebují dlouhodobou bateriovou energii a dobře se vyznají v jaderných materiálech.

Zaměřujeme se na aplikace, jako je lékařská technologie, které již využívají radioaktivitu, říká Gadeken.

Například mnoho pacientů s implantáty nadále přežívá své baterie a vyžaduje nákladnou a riskantní náhradu.

Nakonec Gadeken doufá, že bude sloužit také NASA, pokud společnost najde způsob, jak získat dostatek energie z tritia k napájení vesmírného objektu. Vesmírné agentury se zajímají o bezpečnější a lehčí zdroje energie, než jsou radioizotopové tepelné generátory (RTG) napájené plutoniem používané v robotických misích, jako je Voyager, který má zdroj energie RTG, který má fungovat až do roku 2020.

Kromě toho by betavoltaický zdroj energie pravděpodobně zmírnil obavy o životní prostředí, jako jsou ty, které zazněly při zahájení mise družice Cassini k Saturnu, kdy se demonstranti obávali, že by exploze mohla vést k radioaktivnímu spadu nad Floridou.

Prozatím však Gadeken doufá, že zaujme oblast medicíny a řadu specializovaných trhů v aplikacích podmořských, podpovrchových a polárních senzorů se zaměřením na ropný průmysl.

A dalším krokem je přizpůsobení technologie pro použití ve velmi malých bateriích, které by mohly napájet zařízení mikro-elektro-mechanických systémů (MEMS), jako jsou zařízení používaná v optických spínačích nebo volně plovoucích inteligentních prachových senzorech vyvíjených armádou.

Ve skutečnosti další betavoltaické zařízení, vyvíjené na Cornell University, se také zaměřuje na trh s MEMS energií. Piezoelektrický generátor napájený radioizotopy, který bude mít prototypovou podobu za několik let, bude kombinovat betavoltaický článek s elektromechanickým konzolovým zařízením napájeným tritiem, které bylo poprvé představeno v roce 2002.

Amit Lal, jeden z Cornellových výzkumníků, nabízí jak chválu, tak opatrný skepticismus ohledně DEC Cell. I když je ohromen výkonem z DEC Cell, řekl, že stále existují problémy s únikem energie. Aby se předešlo těmto potenciálním problémům s únikem, Cornell používá o něco větší design destičky. Plánují také přechod na porézní design a buď pevné nebo kapalné tritium, aby se zvýšila účinnost.

Lal také poznamenává, že trh s Cornellovým zařízením nebo DEC Cell může být vytlačen novějšími lithiovými bateriemi s delší životností. Přesto se domnívá, že existuje místo pro velmi malá zařízení, zejména ta, která musí fungovat déle než deset let.

skrýt