Velká očekávání od radioaktivní baterie

Dovedete si představit chytrý telefon, který nebudete muset nikdy dobíjet, nebo elektromobil, který nebude nikdy potřebovat vyměnit baterii, nebo baterii s takovým množstvím energie, že zcela změní život lidí ve vzdálených oblastech? Tyto představy může údajně splnit kalifornská společnost Nano Diamond Battery (NDB), která vyvinula baterie napájené produkty z použitého jaderného paliva  a mohou být v provozu nepřetržitě po dobu více než 20 000 let. Společnost tvrdí, že baterie je zcela bezpečná pro lidi a že její produkt zcela změní svět. Baterie bude moci udržovat v provozu kosmickou loď nebo nemocnici po velmi dlouhou dobu, aniž by se musela dobíjet nebo vyměnit. Další možností mohou být kapalné radioaktivní baterie na principu betavoltaiky.

NDB kombinuje emitor a kolektor, který tvoří ohmický a Schottkyho kontakt. Různé příměsi zlepšují strukturu. Energetické záření uvolněné z radioaktivního rozpadu se rozptyluje a ukládá energii do transdukčních prvků. Izotop spolu s hostitelem sám generuje elektřinu. Samostatné jednotky se spojují k vytvoření „stohovaného“ uspořádání - tedy zapojení do série. Vytvářejí kladný a záporný kontaktní povrch podobný standardnímu bateriovému systému. Baterie používají radioaktivní izotopy v kombinaci s vrstvami polykrystalických nanodiamantů. Vodivé vlastnosti nepatrných diamantů jsou tak efektivní, že odebírají energii z rozpadajících se izotopů a přeměňují je na elektřinu. Čím více vrstev nanodiamantů, tím více elektřiny bude vyrobeno.

Elektrony z rozpadu beta se zachycují a usměrňují na kus křemíkového nebo jiného polovodiče, který je umístěn mezi dvěma elektrodami v elektrickém obvodu. V obvodu pak vzniká dostatečně silný a usměrněný elektrický proud, resp. elektrické napětí. Velkou inovací je použití vodného roztoku v baterii. Voda zajišťuje částečně stínění a navíc ji prolétávající elektrony štěpí za vzniku dodatečné elektrické energie. Výsledkem je tak větší účinnost baterie.

NDB versus standardní baterie 

Baterie NDB vyrábí elektřinu podobně jako solární článek, ale místo slunečního záření využívá záření z radioaktivního rozpadu. Baterie NDB se obecně skládá ze tří hlavních součástí: izotop, převodník a úložná jednotka. Radioizotop se rozpadá a vysílá záření, které se v převodníku přeměňuje na elektřinu. Úložná jednotka uchovává přebytečnou energii pro budoucí použití.

Tam, kde chemická baterie potřebuje k dobití externí napájení, je NDB sama o sobě nezávislým zdrojem energie.

Chemická baterie může v závislosti na své kapacitě obsahovat pouze určité množství energie. Naproti tomu NDB může poskytovat energii až do konce životnosti svého radioizotopu. Článek NDB ukládá přebytečný náboj vzniklý zářením ve vestavěném zařízení pro ukládání náboje, takže i náboj generovaný při nečinnosti je vhodně využit. Článek může teoreticky vydržet déle než typické lithium-iontové či stříbrno-oxidové baterie srovnatelného objemu a výkonu.

Firma NDB hodlá prodávat baterii komerčním partnerům, včetně vlád, a kosmickým agenturám pro dlouhodobé lety vesmírem, a to již během dvou let. Tento systém je nejvhodnější pro dlouhodobé aplikace, které vyžadují nízké úrovně elektřiny, nikoliv pro náhlé potřeby vysokých výkonů.

Kapalná jaderná baterie 

Výzkum týmu vedeného Jae W Kwonem z University of Missouri v USA otevřel dveře pro vývoj nové generace baterií na vodní bázi poháněných beta zářením. Tato technologie by mohla být potenciálně nasazena v aplikacích od automobilových baterií po kosmické lodě. 

Betavoltaika – bateriová technologie generující energii ze záření – byla studována již od 50. let 20. století a technologie se používala k napájení prvních kardiostimulátorů. Přestože nabízí možnost přenosných zdrojů energie s dlouhou životností, mezi nevýhody patří, že jen malá část energie záření může být účinně přeměněna na elektrický náboj, a také se poškozuje mřížková struktura polovodičů používaných v takových bateriích v důsledku kinetické energie samotných beta částic. 

Předchozí práce na těchto bateriích se zaměřovaly na materiály v pevné fázi, ale o kapalinách je již známo, že jsou účinnými stínicími materiály pro beta záření. Kwonův tým prokázal, že kapaliny mohou poskytnout vynikající médium pro účinnou přímou přeměnu elektřiny z radioizotopů.

Kwonův tým vyvinul baterii využívající beta zdroj stroncia-90 s elektrodou z oxidu titaničitého potaženou platinou. Článek obsahuje polovodičový materiál na vodní bázi, který poskytuje stínění před radioaktivním zdrojem a absorbuje kinetickou energii beta částic. Když kapalina absorbuje energii záření, dochází k radiolýze a vznikají volné radikály – vysoce reaktivní chemické látky s krátkou životností. Reakce lze využít k získání elektřiny, čímž se ještě dále zvýší výkon článku.

Nejzajímavějším parametrem  je výdrž baterie. Poločas rozpadu stroncia 90 je 28,8 let – jedná se o dobu, za kterou se přemění (rozpadne) polovina celkového počtu atomárních jader. Výkon baterie tedy poklesne o 50 % za necelých 30 let.

Vysoká hustota výkonu 

„Radioizotopová baterie může poskytovat hustotu výkonu, která je o šest řádů vyšší než u chemické baterie,“ říká Jae Kwon, odborný asistent elektrotechniky a výpočetní techniky z University of Missouri. Jaderné baterie poskytují energii po dobu desítek let. Existují různé zdroje záření pro energetické hladiny wattů až kilowattů. Vyšší úrovně výkonu ovšem potřebují radiační stínění. Menší zařízení by poskytovala zlomek wattu, ale výhodou je, že vydrží desítky let. Kwon a jeho výzkumný tým pracují na stavbě malé jaderné baterie, v současné době o velikosti a tloušťce penny, určené k napájení různých mikro a nanoelektromechanických systémů (M/NEMS). Kwon říká, že jeho baterie jsou bezpečné. „Lidé slyší slovo ‚jaderný‘ a myslí si, že jde o něco velmi nebezpečného. Jaderné zdroje energie však již bezpečně pohánějí řadu zařízení, jako jsou kardiostimulátory, vesmírné satelity a podvodní systémy.“ Zdroj energie s dlouhou životností, který není o mnoho větší než zařízení MEMS, by mohl být převratem ve výrobním průmyslu MEMS. Ale sám Kwon říká, že to bude ještě „dlouhá cesta“, než bude jeho baterie připravena pro komerční marketing. „V tuto chvíli jsme stále na úrovni základního výzkumu,“ řekl.

Kwon, Robertson a jejich tým se v současné době zaměřují na zvýšení výkonu a ještě větší zmenšení velikosti baterie - mimo jiné zkoumají použití jiných materiálů než izotopu síry ³⁵S, který v současné době používají. Také požádali o prozatímní patent. „V budoucnu může být baterie tenčí než tloušťka lidského vlasu,“ říká Kwon.

Zdroje:

Liquid Nuclear Battery That Has the Potential to Reach One Million Times Chemical Battery Power Density | NextBigFuture.com

Nuclear battery breakthrough - World Nuclear News (world-nuclear-news.org)

Výzkumné práce skupiny MEMS na University of Missouri

High Expectations For Radioactive Battery - News - Nuclear Power News - Nuclear Street - Nuclear Power Plant News, Jobs, and Careers