Průlom v oblasti jaderných baterií

Jae W. Kwon a jeho vědecký tým z University v Missuri vyvinul novou generaci baterií na bázi beta záření. Tato baterie může být potenciálně využitelná jak v kosmických aplikacích, tak třeba i v automobilech.

Betavoltaika – technologie baterií produkující elektřinu na bázi záření beta – se studuje již od padesátých let a nejdříve byla využita v kardiostimulátorech (o těch jsme psali zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/474-srdce-pohanene-plutoniem). I když baterie nabízela možnosti vyrábět přenosné zdroje energie s dlouhou životností, měla určité nevýhody. Byl to nízký obsah radiační energie, který by mohl být efektivně přeměněn na elektrický náboj. Další nevýhoda spočívala v tom, že by mohla být poškozena konstrukční mřížka v důsledku kinetické energie samotných částic beta.

Jaderné "baterie" se hojně využívají v kosmu

Radioizotopová baterie může poskytnout hustotu výkonu o šest řádů vyšší než chemické baterie. Jaderné baterie se mohou obecně dělit na dvě skupiny: první jsou tepelné konvertory, které využívají tepelnou energii vzniklou při radioaktivní přeměně. Nejznámějším typem je radioizotopový termoelektrický generátor, který pohání spoustu kosmických výzkumníků, mj. například vozítko Curiosity na Marsu. Má tepelný výkon 2 000 W, elektrický 110 W, hmotnost 45 kg. (O termoelektrických generátorech jsme psali např. v článku https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/566-jaderna-energetika-ve-vesmiru-elektrina-pro-sondy-kosmicke-lode-a-zakladny-na-planetach.) Druhou skupinou jsou konvertory bez tepelné výměny, z nichž nejvýznamnější jsou betavoltaické články - baterie produkující elektrickou energii díky přeměně beta.

Jak to funguje

Radioizotopem generujícím elektrony je například tritium ³H (s poločasem přeměny 12,5 roku), nebo izotop stroncia 90 (s poločasem přeměny 28,8 let). Jádra se přeměňují beta rozpadem, při kterém vyletují vysokoenergetické elektrony. Elektrony se nasměrují na polovodič umístěný mezi dvěma elektrodami. Uzavřeme-li elektrický obvod, vznikne v něm dostatečně silný a usměrněný elektrický proud. Není třeba mít obavy z radioaktivity - beta zářiče snadno odstíníme tenkým ocelovým nebo hliníkovým plechem.

Dosud se pracovalo s pevnými látkami

Jae W. Kwon, docent jaderného inženýrství a elektrotechniky a počítačového inženýrství, nedávno napsal článek nazvaný "Plasmonem asistovaná konverze radiolytické energie ve vodných prostředích". (Plazmony jsou kvazičástice – kvanta podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách, např. v krystalové mřížce kovů). Tento článek popisuje první použití vodního roztoku v jaderné baterii. Když kapalina absorbuje radiační energii, dochází k radiolýze a vznikají volné radikály, vysoce reaktivní chemické látky s krátkou životností, a volné elektrony, které mohou být rovněž využity pro generování elektřiny. Kwonova baterie používá izotop ⁹⁰Sr s poločasem přeměny 28,8 let. Elektrony, které z něj vyletují, zvyšují elektrochemickou energii ve vodném roztoku. Nanostrukturovaná elektroda s oxidem titaničitým s platinovým povrchem shromažďuje a účinně přeměňuje energii na elektrony - elektrický proud. "Voda působí jako nárazník a povrchové plazmony vytvořené v přístroji se ukázaly jako velmi užitečné pro zvýšení účinnosti," řekl Kwon. Iontové roztoky nezamrzají snadno a mohou proto pracovat v nejrůznějších aplikacích i při velmi nízkých teplotách, což by s výhodou využila kosmonautika.

Delší životnost, vyšší výkon

V konvenčních jaderných bateriích emitované záření rychle opotřebovává polovodiče, čímž se snižuje životnost a kapacita baterie. Nový návrh navržený týmem profesora Kwona používá záření k rozdělení molekul vody v iontovém roztoku a voda také působí jako stínění před zářením, což umožňuje použití silnějšího zářiče a vyšší produkci energie. "Voda je velmi dobré médium ke snížení radiačního poškození. Energie záření by neměla poškodit polovodič konvertující energii," říká profesor Kwon.

Polovodičem je nanostrukturovaná elektroda s oxidem titaničitým s platinovým povlakem. Kwonova jaderná baterie má velikost mince a dlouhou životnost – teprve za 28,8 let klesne její výkon na polovinu.

Zdroj: https://scitechdaily.com/scientists-develop-first-water-based-nuclear-battery/

http://www.world-nuclear-news.org/EE-Nuclear-battery-breakthrough-1809148.html