Atombatteriet

Det typiske fremtidsteknologiske scenarie kræver millioner af lav-powered radiofrekvensenheder spredt over hele vores miljø – fra fabriksgulvssensorer til medicinske implantater til smarte enheder til slagmarker.





På grund af den korte og uforudsigelige levetid for kemiske batterier vil der dog være behov for regelmæssige udskiftninger for at holde disse enheder brummende. Brændselsceller og solceller kræver kun lidt vedligeholdelse, men førstnævnte er for dyre til så beskedne, lavt strømforbrugende applikationer, og sidstnævnte har brug for masser af sol.

En tredje mulighed kan dog give et stærkt – og sikkert – alternativ. Det kaldes Direct Energy Conversion (DEC) Cell, et betavoltaik-baseret atombatteri, der kan køre i over et årti på de elektroner, der genereres af det naturlige henfald af den radioaktive isotop tritium. Det er udviklet af forskere ved University of Rochester og en startup, BetaBatt, i et projekt beskrevet i 13. maj-udgaven af ​​Advanced Materials og delvist finansieret af National Science Foundation.

Fordi tritiums halveringstid er 12,3 år (den tid, hvor halvdelen af ​​dets radioaktive energi er blevet udsendt), kunne DEC-cellen levere et årtis strøm til mange applikationer. Det er klart, at det ville være en økonomisk fordel - især for applikationer, hvor udskiftning af batterier er meget ubelejligt, såsom i medicin- og olie- og mineindustrien, som ofte placerer sensorer på farlige eller svært tilgængelige steder.



Et af vores hovedmarkeder er for fjerntliggende, meget svære at erstatte sensorer, siger Larry Gadeken, chefopfinder og præsident for BetaBatt. Du kan placere dette [batteri] én gang og lade det være.

Betavoltaiske enheder bruger radioisotoper, der udsender relativt harmløse beta-partikler, snarere end farligere gamma-fotoner. De er faktisk blevet testet i laboratorier i 50 år - men de genererer så lidt strøm, at der endnu ikke er fundet en større kommerciel rolle for dem. Hidtil er tritium-drevne betavoltaics, som kræver minimal afskærmning og ikke er i stand til at trænge ind i menneskelig hud, blevet brugt til at lyse udgangsskilte og ure, der lyser i mørket. En kommerciel version af DEC Cell vil sandsynligvis ikke have nok juice til at drive en mobiltelefon - men rigeligt til en sensor eller pacemaker.

Nøglen til at gøre DEC-cellen mere levedygtig er at øge effektiviteten, hvormed den skaber strøm. Tidligere har forskere i betavoltaik brugt et design, der ligner en solcelle: en flad wafer er belagt med et diodemateriale, der skaber elektrisk strøm, når det bombarderes af udsendte elektroner. Men alle undtagen elektronpartiklerne, der skyder ned mod dioderne, går tabt i det design, siger professor i el- og computerteknik ved University of Rochester, Phillipe Fauchet, som udviklede det mere effektive design baseret på Gadekens koncept.



Løsningen var at udsætte mere af den reaktive overflade for partiklerne ved at skabe en porøs siliciumdiodewafer drysset med én mikron brede, 40 mikron dybe gruber. Når den radioaktive gas optager disse gruber, skaber det den maksimale mulighed for at udnytte reaktionen.

Lige så vigtigt er processen let reproducerbar og billig, siger Fauchet - en nødvendighed, hvis DEC-cellen skal være kommercielt levedygtig.

Fremstillingsteknikkerne kan være overkommelige, men selve tritium - et biprodukt af atomkraftproduktion - er stadig dyrere end lithium i dit mobiltelefonbatteri. Omkostningerne er dog mindre af et problem for enheder designet specifikt til at indsamle svært tilgængelige data.



Omkostninger er kun én grund til, at Gadeken siger, at han ikke vil forfølge det batterihungrende marked for forbrugerelektronik. Andre spørgsmål omfatter de regulerings- og markedsføringshindringer, der er forbundet med at forsyne massemarkedsenheder med radioaktive materialer og den store batteristørrelse, der ville være påkrævet for at generere tilstrækkelig strøm. Alligevel, siger han, kan teknologien en dag blive brugt som en trickle-genopladningsenhed til lithium-ion-batterier.

I stedet retter hans virksomhed sig mod markedssektorer, der har brug for langsigtet batteristrøm og har et behageligt kendskab til nukleare materialer.

Vi retter os mod applikationer som medicinsk teknologi, som allerede bruger radioaktivitet, siger Gadeken.



For eksempel fortsætter mange implantatpatienter med at overleve deres batterier og kræver en kostbar og risikabel udskiftningsoperation.

Til sidst håber Gadeken også at tjene NASA, hvis virksomheden kan finde en måde at udvinde nok energi fra tritium til at drive et rumfarende objekt. Rumorganisationer er interesserede i sikrere og lettere strømkilder end de plutoniumdrevne Radioisotope Thermal Generators (RTG), der bruges i robotmissioner, såsom Voyager, som har en RTG-strømkilde, der er beregnet til at køre indtil omkring 2020.

Ydermere ville en betavoltaisk strømkilde sandsynligvis afhjælpe miljømæssige bekymringer, såsom dem, der blev givet udtryk for ved opsendelsen af ​​Cassini-satellitmissionen til Saturn, da demonstranter frygtede, at en eksplosion kunne føre til nedfald over Florida.

For nu håber Gadeken dog at interessere det medicinske område og en række nichemarkeder inden for undersøiske, underjordiske og polære sensorapplikationer med fokus på olieindustrien.

Og det næste skridt er at tilpasse teknologien til brug i meget små batterier, der kan drive mikro-elektro-mekaniske systemer (MEMS) enheder, såsom dem, der bruges i optiske kontakter eller de fritsvævende smarte støvsensorer, der udvikles af militæret.

Faktisk er en anden betavoltaik-enhed, der er under udvikling ved Cornell University, også rettet mod MEMS-kraftmarkedet. Den radioisotopdrevne piezoelektriske generator, der kommer i prototypeform om et par år, vil kombinere en betavoltaisk celle med en tritiumdrevet elektromekanisk udkragningsenhed, som først blev demonstreret i 2002.

Amit Lal, en af ​​Cornell-forskerne, tilbyder både ros og forsigtig skepsis over for DEC-cellen. Mens han er imponeret over effektudgangen fra DEC Cell, sagde han, at der stadig er problemer med strømlækage. For at undgå disse potentielle lækageproblemer bruger Cornell et wafer-design i lidt større skala. De planlægger også at flytte til et porøst design og enten fast eller flydende tritium for at forbedre effektiviteten.

Lal bemærker også, at markedet for enten Cornells enhed eller DEC Cell kan blive presset af nyere, længerevarende lithiumbatterier. Alligevel er der en niche for meget små enheder, mener han, især dem, der skal køre længere end ti år.

skjule