Nukleárne batérie s izotopom niklu vydržia storočie

Inteligentné snímače v internete vecí, implantované prístroje, ako kardiostimulátory, alebo kozmické lode a sondy. Všetky tieto zariadenia sú odkázané na batérie s veľmi dlhou životnosťou. Niektoré aplikácie s nízkym výkonom dokážu niekoľko rokov zásobovať aj moderné Li-ion batérie, ale tie sa nehodia všade.

Pozrite siBatérie Li-S inšpirované živými 3D štruktúrami môžu znamenať revolúciu

Iným riešením je nahradiť tradičné galvanické články využívajúce redoxné chemické reakcie nukleárnymi batériami. Tie môžu v závislosti od použitého rádioizotopu dodávať energiu celé roky, ba aj desaťročia. Izotopy s veľmi dlhým časom rozpadu nie sú príliš vhodné, vzhľadom na riziko spojené s kontamináciou prostredia pri ich úniku, ale v špeciálnych aplikáciách sa používajú.

Poznáme ich už dlho

Nukleárne batérie využívajú dva rôzne fyzikálne princípy. Prvým typom sú takzvané rádioizotopové termoelektrické generátory (RTG), v ktorých termočlánky konvertujú teplo uvoľnené rádioaktívnym rozpadom na elektrinu. Účinnosť RTG je len niekoľko percent a kolíše s teplotou, ale vďaka dlhej životnosti a jednoduchej konštrukcii našli uplatnenie napríklad v kozmonautike, alebo pri napájaní automatických meteorologických staníc.

Pozrite siReinkarnácia zinku. Porazia nové batérie Li-ion technológiu?

Používa ich aj sonda New Horizons, ktorá minula Pluto a mieri k Oortovmu oblaku na okraji Slnečnej sústavy, alebo marsovský rover Curiosity.

Iný typ nukleárnych batérií využíva priamo elektróny uvoľňované ako lúče beta pri beta-rozpade rádioaktívnych prvkov. Podľa tohto princípu sa takéto batérie označujú ako betavoltaické. Prvý betavoltaický článok zostrojil už v roku 1913 Henry Moseley, keď do dutej, zvnútra postriebrenej sklenenej gule umiestnil beta žiarič. Článok síce vytváral napätie, ale kvôli zanedbateľnému prúdu bol v praxi nepoužiteľný.

ZDROJ | NASA

V roku 1953 však navrhol Paul Rappaport použitie polovodičových materiálov na premenu energie beta-rozpadu na elektrickú energiu. Beta častice – elektróny a pozitróny – emitované rádioaktívnym zdrojom ionizujú atómy polovodiča, vytvárajúc nekompenzované nosiče náboja. V prítomnosti statického poľa prúdia v jednom smere, čo vytvára elektrický prúd.

Výhodou takýchto batérií voči galvanickým článkom je extrémna životnosť, nevýhodou je však opäť nízky výkon, respektíve objemová hustota energie.

Míľnikom vo výskume betavoltaických článkov bol rok 1972. Vtedy bola patentovaná prvá komerčná atómová batéria Betacel, vyvinutá v spoločnosti McDonell Douglas. Využívala izotop prométia 147Pm a bola dokonca nasadená do kardiostimulátorov. Nástup Li-ion batérií však tento typ aplikácií jadrových batérií zastavil.

Vylepšenia cez diamanty a optimalizáciu

Ruským vedcom z Moskovského fyzikálne-technologického inštitútu (MIFT), Technologického ústavu pre superpevné a nové uhlíkové materiály (TISNUM) a Národnej univerzity vedy a technológie sa ale podarilo optimalizovať dizajn nukleárnej batérie generujúcej energiu z beta-rozpadu rádioaktívneho izotopu 63Ni. Ide o umelý rádioizotop niklu s polčasom rozpadu 100,1 rokov, ktorý sa následne zmení na izotop medi 63Cu.

Prototyp jadrovej batérie pozostával z 200 diamantových konvertorov preložených vrstvami niklu 63Ni a vrstvami stabilnej niklovej fólie.ZDROJ | MIPT

Tento rádioizotop sa v betavoltaických článkoch testoval už skôr, ale ruskí výskumníci vyvinuli prototyp, ktorý má hustotu energie 3 300 mWh/ g, alebo 3,3 Wh/ g, čo je viac než v ktorejkoľvek inej jadrovej batérii na báze 63Ni. Zároveň je to desaťnásobok energetickej hustoty komerčných chemických batérií.

Pozrite siSú diamantové nanovlákna cestou k vesmírnemu výťahu?

Výskumný tím vedený Vladimírom Blankom, riaditeľom TISNUM, ktorý je tiež aj predsedom fyziky a chémie nanostruktúr na MIPT, prišiel s riešením, ktoré môže takmer desaťnásobne zvýšiť hustotu energie jadrovej batérie. Fyzici vyvinuli betavoltaickú batériu s využitím niklu 63Ni  ako zdroja žiarenia a diamantových diód založených na Schottkyho bariére na premenu energie.

ZDROJ | MIPT

Množstvo energie generovanej konvertorom závisí od hrúbky niklovej fólie a samotného konvertora, pretože obe ovplyvňujú množstvo absorbovaných beta častíc (elektrónov). Aktuálne prototypy jadrových batérií sú zle optimalizované, pretože majú príliš veľké rozmery.

Ak je zdroj beta žiarenia príliš silný, vysielajú sa elektróny, ktoré nemôžu uniknúť. Ak je však žiarič príliš tenký, počet atómov, ktoré podliehajú rozpadu beta na jednotku času, je úmerne znížený. Podobné závislosti platia aj pre hrúbku konvertora.

Vedci zistili, že články boli najúčinnejšie pri vrstvách niklu 63Ni o hrúbke okolo 2 mikrónov a s diamantovými diódami s hrúbkou 10 mikrónov.ZDROJ | MIPT

Prototyp jadrovej batérie obsahoval 200 takýchto diamantových konvertorov energie a dosiahol výkon približne 1 mikrowatt (μW). Jeho hustota výkonu bola 10 μW / cm3, čo znamená, že by dokázal poháňať moderný kardiostimulátor.

Náročná výroba

Už v roku 2016 predstavili ruskí vedci prototyp betavoltaickej batérie na báze izotopu niklu. Ďalší pracovný prototyp bol demonštrovaný na podujatí Atomexpo 2017, ale ich komercionalizácia sa zatiaľ nedosiahla.

Hlavnou prekážkou je nedostatok zariadení na výrobu umelého rádioizotopu niklu 63Ni. Existujú však plány na spustenie výroby 63Ni v priemyselnom meradle do polovice roka 2020.

Kardiostimulátor Nanostim ZDROJ | StarTribune

Inou možnosťou je využitie alternatívneho rádioizotopu ako beta žiariča v jadrových batériách. Takým by mohol byť rádioaktívny izotop uhlíka 14C, ktorý má polčas rozpadu až 5 700 rokov.

Pozrite siDiamanty z jadrového odpadu prinesú „večné batérie“

Vyskytuje sa aj v prírode, ale vo veľkom by sa dal získať z vyradených grafitových tyčí z jadrových reaktorov. Výskum takýchto betavoltaických článkov na báze rádioaktívnych umelých diamantov z uhlíka 14C už realizovali britskí vedci z Univerzity v Bristole. Článok o vývoji nových niklových nukleárnych batériách bol publikovaný v časopise Diamond and Related Materials.

ZdrojMoskovský inštitút fyziky a technológií

Komentáre k článku