Atomowa bateria

Typowy scenariusz przyszłych technologii wymaga milionów urządzeń radiowych o niskiej mocy rozsianych po całym naszym środowisku – od fabrycznych macierzy czujników, przez implanty medyczne, po inteligentne urządzenia na polach bitew.

Jednak z powodu krótkiej i nieprzewidywalnej żywotności baterii chemicznych konieczna byłaby regularna wymiana, aby urządzenia te nadal brzęczały. Ogniwa paliwowe i ogniwa słoneczne wymagają niewielkiej konserwacji, ale te pierwsze są zbyt drogie dla tak skromnych zastosowań o niskim poborze mocy, a te drugie wymagają dużej ilości słońca.

Jednak trzecia opcja może zapewnić potężną i bezpieczną alternatywę. Nazywa się ogniwem bezpośredniej konwersji energii (DEC), baterią jądrową opartą na betawoltaice, która może działać przez ponad dekadę na elektronach generowanych przez naturalny rozpad radioaktywnego izotopu trytu. Został opracowany przez naukowców z University of Rochester i startup BetaBatt w ramach projektu opisanego w wydaniu Advanced Materials z 13 maja i częściowo finansowanego przez National Science Foundation.

Ponieważ okres półtrwania trytu wynosi 12,3 lat (czas, w którym wyemitowano połowę jego energii radioaktywnej), ogniwo DEC może zapewnić energię na dekadę dla wielu zastosowań. Oczywiście byłoby to korzyści ekonomiczne – zwłaszcza w zastosowaniach, w których wymiana baterii jest bardzo niewygodna, na przykład w medycynie, przemyśle naftowym i wydobywczym, które często umieszczają czujniki w niebezpiecznych lub trudno dostępnych miejscach.

Jednym z naszych głównych rynków są czujniki zdalne, bardzo trudne do wymiany, mówi Larry Gadeken, główny wynalazca i prezes BetaBatt. Mógłbyś raz umieścić tę [baterię] i zostawić ją w spokoju.

Urządzenia betawoltaiczne wykorzystują radioizotopy, które emitują stosunkowo nieszkodliwe cząstki beta, zamiast bardziej niebezpiecznych fotonów gamma. W rzeczywistości były testowane w laboratoriach od 50 lat – ale generują tak mało energii, że nie znaleziono jeszcze większej roli komercyjnej dla nich. Jak dotąd betawoltaika zasilana trytem, ​​która wymaga minimalnego ekranowania i nie jest w stanie przeniknąć ludzkiej skóry, była wykorzystywana do oświetlania znaków wyjścia i zegarków świecących w ciemności. Komercyjna wersja DEC Cell prawdopodobnie nie będzie miała wystarczającej ilości soku, aby zasilić telefon komórkowy – ale wystarczająco dużo dla czujnika lub rozrusznika serca.

Kluczem do uczynienia ogniwa DEC bardziej opłacalnym jest zwiększenie wydajności, z jaką wytwarza moc. W przeszłości naukowcy zajmujący się betawoltaiką stosowali konstrukcję podobną do ogniwa słonecznego: płaski wafel pokryty jest materiałem diodowym, który podczas bombardowania emitowanymi elektronami wytwarza prąd elektryczny. Jednak wszystkie cząstki elektronów, które wystrzeliwują w kierunku diod, są tracone w tym projekcie, mówi profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej z University of Rochester, Phillipe Fauchet, który opracował bardziej wydajną konstrukcję opartą na koncepcji Gadekena.

Rozwiązaniem było wystawienie większej części reaktywnej powierzchni na działanie cząstek poprzez stworzenie porowatego wafla krzemowego posypanego wgłębieniami o szerokości jednego mikrona i głębokości 40 mikronów. Gdy radioaktywny gaz zajmuje te doły, stwarza maksymalną możliwość wykorzystania reakcji.

Co ważne, proces ten jest łatwy do odtworzenia i tani, mówi Fauchet – jest to konieczne, jeśli komórka DEC ma być komercyjnie opłacalna.

Techniki wytwarzania mogą być niedrogie, ale sam tryt – produkt uboczny produkcji energii jądrowej – jest nadal droższy niż lit w baterii telefonu komórkowego. Koszt nie stanowi jednak problemu w przypadku urządzeń zaprojektowanych specjalnie do zbierania trudnych do zdobycia danych.

Koszty to tylko jeden z powodów, dla których Gadeken twierdzi, że nie będzie dążył do żądnego baterii rynku elektroniki użytkowej. Inne problemy obejmują przeszkody regulacyjne i marketingowe związane z zasilaniem urządzeń dostępnych na rynku masowym materiałami radioaktywnymi oraz duży rozmiar baterii, które byłyby wymagane do wytworzenia wystarczającej mocy. Mimo to, mówi, technologia może pewnego dnia zostać wykorzystana jako urządzenie do ładowania podtrzymującego dla akumulatorów litowo-jonowych.

Zamiast tego jego firma koncentruje się na sektorach rynku, które potrzebują długoterminowego zasilania bateryjnego i dobrze znają materiały jądrowe.

Naszym celem są aplikacje, takie jak technologia medyczna, które już wykorzystują radioaktywność, mówi Gadeken.

Na przykład wielu pacjentów z implantami nadal przeżywa swoje baterie i wymaga kosztownej i ryzykownej operacji wymiany.

W końcu Gadeken ma nadzieję służyć również NASA, jeśli firma znajdzie sposób na wydobycie wystarczającej ilości energii z trytu, aby zasilić obiekt kosmiczny. Agencje kosmiczne są zainteresowane bezpieczniejszymi i lżejszymi źródłami zasilania niż zasilane plutonem radioizotopowe generatory termiczne (RTG) wykorzystywane w misjach robotycznych, takie jak Voyager, który ma źródło zasilania RTG, które ma działać do około 2020 roku.

Co więcej, betawoltaiczne źródło zasilania prawdopodobnie złagodzi obawy środowiskowe, takie jak te, które pojawiły się podczas startu misji satelitarnej Cassini na Saturna, kiedy protestujący obawiali się, że eksplozja może doprowadzić do opadu na Florydzie.

Na razie jednak Gadeken ma nadzieję zainteresować medycynę i różne niszowe rynki w zastosowaniach czujników podwodnych, podpowierzchniowych i polarnych, ze szczególnym uwzględnieniem przemysłu naftowego.

Następnym krokiem jest dostosowanie technologii do stosowania w bardzo małych bateriach, które mogłyby zasilać urządzenia systemów mikroelektromechanicznych (MEMS), takie jak te stosowane w przełącznikach optycznych lub swobodne, inteligentne czujniki pyłu opracowywane przez wojsko.

W rzeczywistości inne urządzenie betawoltaiczne, opracowywane na Uniwersytecie Cornell, jest również skierowane na rynek energii MEMS. Zasilany radioizotopem generator piezoelektryczny, który ma być prototypem za kilka lat, połączy ogniwo betawoltaiczne z elektromechanicznym urządzeniem wspornikowym zasilanym trytem, ​​zademonstrowanym po raz pierwszy w 2002 roku.

Amit Lal, jeden z badaczy Cornell, wyraża zarówno pochwały, jak i ostrożny sceptycyzm na temat komórki DEC. Chociaż jest pod wrażeniem mocy wyjściowej z ogniwa DEC, powiedział, że nadal występują problemy z wyciekiem mocy. Aby uniknąć tych potencjalnych problemów z wyciekami, Cornell używa nieco większej konstrukcji wafla. Planują również przejście na porowatą konstrukcję i stały lub płynny tryt, aby poprawić wydajność.

Lal zauważa również, że rynek urządzenia Cornella lub ogniwa DEC może zostać ściśnięty przez nowsze, trwalsze baterie litowe. Uważa jednak, że istnieje nisza dla bardzo małych urządzeń, zwłaszcza tych, które muszą działać dłużej niż dziesięć lat.

ukryć