Atomu akumulators

Tipisks nākotnes tehnoloģiju scenārijs paredz miljoniem mazjaudas radiofrekvenču ierīču, kas izkaisītas visā mūsu vidē — no rūpnīcas grīdas sensoru blokiem līdz medicīniskiem implantiem un viedierīcēm kaujas laukiem.

Tomēr ķīmisko bateriju īsā un neparedzamā kalpošanas laika dēļ būtu nepieciešama regulāra nomaiņa, lai šīs ierīces nedarbotos. Kurināmā elementiem un saules baterijām ir nepieciešama neliela apkope, taču pirmās ir pārāk dārgas šādiem pieticīgiem, mazjaudas lietojumiem, bet pēdējiem ir nepieciešams daudz saules.

Tomēr trešā iespēja var nodrošināt spēcīgu un drošu alternatīvu. To sauc par tiešās enerģijas pārveidošanas (DEC) šūnu, uz betavoltaiku balstītu kodolakumulatoru, kas var darboties vairāk nekā desmit gadus, izmantojot elektronus, ko rada radioaktīvā izotopa tritija dabiskā sabrukšana. To izstrādājuši Ročesteras Universitātes pētnieki un jaunuzņēmums BetaBatt projektā, kas aprakstīts 13. maija izdevumā Advanced Materials un ko daļēji finansēja Nacionālais zinātnes fonds.

Tā kā tritija pussabrukšanas periods ir 12,3 gadi (laiks, kurā ir emitēta puse no tā radioaktīvās enerģijas), DEC Cell var nodrošināt desmit gadu jaudu daudziem lietojumiem. Skaidrs, ka tas būtu ekonomisks labums, jo īpaši lietojumprogrammām, kurās akumulatoru nomaiņa ir ļoti neērta, piemēram, medicīnā un naftas un kalnrūpniecības nozarēs, kurās sensori bieži tiek novietoti bīstamās vai grūti sasniedzamās vietās.

Viens no mūsu galvenajiem tirgiem ir attālināti, ļoti grūti nomaināmi sensori, saka Lerijs Gadekens, BetaBatt galvenais izgudrotājs un prezidents. Varat vienu reizi ievietot šo [akumulatoru] un atstāt to mierā.

Betavoltaic ierīcēs tiek izmantoti radioizotopi, kas izstaro salīdzinoši nekaitīgas beta daļiņas, nevis bīstamākus gamma fotonus. Tie faktiski ir pārbaudīti laboratorijās 50 gadus, taču tie rada tik maz enerģijas, ka tiem vēl nav jāatrod lielāka komerciāla nozīme. Līdz šim ar tritiju darbināmi betavoltai, kuriem nepieciešams minimāls ekranējums un kas nespēj iekļūt cilvēka ādā, tika izmantoti, lai apgaismotu izejas zīmes un tumsā mirdzošus pulksteņus. Komerciālajai DEC Cell versijai, visticamāk, nebūs pietiekami daudz sulas, lai darbinātu mobilo tālruni, bet pietiekami daudz sensoram vai elektrokardiostimulatoram.

Galvenais, lai DEC Cell padarītu dzīvotspējīgāku, ir palielināt efektivitāti, ar kādu tas rada enerģiju. Agrāk betavoltaikas pētnieki ir izmantojuši saules baterijai līdzīgu dizainu: plakana plāksne ir pārklāta ar diodes materiālu, kas rada elektrisko strāvu, kad to bombardē izstarotie elektroni. Tomēr šajā dizainā tiek zaudētas visas elektronu daļiņas, izņemot elektronu daļiņas, kas šauj lejup pret diodēm, saka Ročesteras Universitātes elektrotehnikas un datortehnikas profesors Filips Fošē, kurš izstrādāja efektīvāku dizainu, pamatojoties uz Gadekena koncepciju.

Risinājums bija pakļaut daļiņām vairāk reaktīvās virsmas, izveidojot porainu silīcija diodes plāksni, kas pārkaisa ar viena mikrona platām, 40 mikronu dziļām bedrēm. Kad radioaktīvā gāze aizņem šīs bedres, tas rada maksimālu iespēju izmantot reakciju.

Vēl svarīgāk ir tas, ka process ir viegli reproducējams un lēts, saka Fošē – tas ir nepieciešams, lai DEC Cell būtu komerciāli dzīvotspējīgs.

Ražošanas metodes var būt pieejamas, taču pats tritijs — kodolenerģijas ražošanas blakusprodukts — joprojām ir dārgāks nekā litijs jūsu mobilā tālruņa akumulatorā. Tomēr izmaksas ir mazākas par ierīcēm, kas īpaši izstrādātas grūti iegūstamu datu vākšanai.

Izmaksas ir tikai viens no iemesliem, kāpēc Gadekens saka, ka viņš nedarbosies ar akumulatoru izsalkušo plaša patēriņa elektronikas tirgu. Citas problēmas ietver regulatīvos un mārketinga šķēršļus, ko rada lielapjoma ierīču darbināšana ar radioaktīviem materiāliem, un lielais bateriju izmērs, kas būtu nepieciešams, lai radītu pietiekamu jaudu. Tomēr viņš saka, ka šo tehnoloģiju kādu dienu varētu izmantot kā litija jonu akumulatoru uzlādes ierīci.

Tā vietā viņa uzņēmums ir vērsts uz tirgus nozarēm, kurām nepieciešama ilgstoša akumulatora jauda un kurām ir ērtas zināšanas par kodolmateriāliem.

Mēs esam vērsti uz tādām lietojumprogrammām kā medicīnas tehnoloģija, kas jau izmanto radioaktivitāti, saka Gadekens.

Piemēram, daudzi pacienti ar implantiem turpina tērēt savas baterijas un viņiem ir nepieciešama dārga un riskanta aizvietošanas operācija.

Galu galā Gadeken cer kalpot arī NASA, ja uzņēmums varēs atrast veidu, kā iegūt pietiekami daudz enerģijas no tritija, lai darbinātu kosmosa objektu. Kosmosa aģentūras ir ieinteresētas drošākos un vieglākos enerģijas avotos nekā ar plutoniju darbināmie radioizotopu siltuma ģeneratori (RTG), ko izmanto robotu misijās, piemēram, Voyager, kam ir RTG barošanas avots, kas paredzēts aptuveni līdz 2020. gadam.

Turklāt betavoltas barošanas avots, iespējams, mazinātu bažas par vidi, piemēram, tās, kas izskanēja, uzsākot Cassini satelīta misiju uz Saturnu, kad protestētāji baidījās, ka sprādziens varētu izraisīt nokrišņus virs Floridas.

Tomēr pagaidām Gadeken cer ieinteresēt medicīnas jomu un dažādus nišas tirgus zemūdens, zemūdens un polāro sensoru lietojumos, koncentrējoties uz naftas rūpniecību.

Nākamais solis ir pielāgot tehnoloģiju izmantošanai ļoti mazās baterijās, kas varētu darbināt mikroelektromehānisko sistēmu (MEMS) ierīces, piemēram, tās, ko izmanto optiskajos slēdžos vai brīvi peldošajos viedajos putekļu sensoros, ko izstrādā militārpersonas.

Faktiski cita betavoltaics ierīce, kas tiek izstrādāta Kornela universitātē, arī ir paredzēta MEMS enerģijas tirgum. Ar radioizotopu darbināms pjezoelektriskais ģenerators, kura prototipa formātā būs pēc dažiem gadiem, apvienos betavolta elementu ar ar tritiju darbināmu elektromehānisko konsoles ierīci, kas pirmo reizi tika demonstrēta 2002. gadā.

Amits Lals, viens no Kornela pētniekiem, piedāvā gan uzslavas, gan piesardzīgu skepsi par DEC šūnu. Lai gan viņu pārsteidza DEC šūnas jauda, ​​viņš teica, ka joprojām pastāv problēmas ar strāvas noplūdi. Lai izvairītos no šīm iespējamām noplūdes problēmām, Kornels izmanto nedaudz lielāka mēroga vafeļu dizainu. Viņi arī plāno pāriet uz porainu dizainu un cietu vai šķidru tritiju, lai uzlabotu efektivitāti.

Lals arī atzīmē, ka Kornela ierīces vai DEC Cell tirgu var izspiest jaunākas, ilgstošākas litija baterijas. Tomēr, viņaprāt, ir sava niša ļoti mazām ierīcēm, īpaši tām, kurām jādarbojas ilgāk par desmit gadiem.

paslēpties