211service.com
Et 25-års batteri
Batterier, der høster energi fra isotopers nukleare henfald, kan producere meget lave niveauer af strøm og holde i årtier uden at skulle udskiftes. En ny version af batterierne, kaldet betavoltaics, er ved at blive udviklet af et Ithaca, NY-baseret firma og testet af Lockheed Martin . Batterierne kan potentielt drive elektriske kredsløb, der beskytter militære fly og missiler mod manipulation ved at ødelægge information, der er lagret i systemerne, eller ved at sende et advarselssignal til et militærcenter. Batterierne forventes at holde i 25 år. Firmaet, kaldet Widetronix , arbejder også med producenter af medicinsk udstyr for at udvikle batterier, der kan holde i årtier til implanterbart medicinsk udstyr.
Atomkraft: Pakken inde i dette prototype betavoltaiske batteri indeholder lag af siliciumcarbid og metalfolie indlejret med den radioaktive isotop tritium. Når højenergielektroner, der udsendes af henfaldet af tritium, rammer siliciumcarbidet, producerer det en elektrisk strøm, der forlader cellen gennem metalstifterne. Sådanne batterier er designet til at holde i 25 år.
Widetronix' batterier er drevet af henfaldet af en brintisotop kaldet tritium til højenergielektroner. Mens solceller bruger halvledere som silicium til at fange energi fra fotonerne i sollys, bruger betavoltaiske celler en halvleder til at fange energien i elektroner, der produceres under isotopers nukleare henfald. Denne type nukleart henfald kaldes beta-henfald, for de højenergielektroner, kaldet beta-partikler, som den producerer. Levetiden for betavoltaiske enheder afhænger af halveringstiden, der spænder fra et par år til 100 år, for de radioisotoper, der driver dem. For at lave et batteri, der holder 25 år fra tritium, som har en halveringstid på 12,3 år, fylder Widetronix pakken med dobbelt så meget tritium, som der i første omgang kræves. Disse enheder kan modstå meget hårdere forhold end kemiske batterier. Dette og deres lange levetid er det, der gør betavoltaik attraktiv som strømkilde til medicinske implantater og til militær fjernmåling i ekstremt varme og kolde omgivelser.
Begrebet betavoltaik er omkring 50 år gammelt. De første pacemakere brugte betavoltaics baseret på det radioaktive grundstof promethium, men disse betavoltaics blev udfaset, da billigere lithium-ion-batterier blev udviklet. Teknologien er nu ved at dukke op igen, siger Peter Cabauy , CEO for et andet betavoltaisk selskab, Miami-baseret City Labs , fordi halvledende materialer er blevet så meget bedre. Tidlige halvledende materialer var ikke effektive nok til at omdanne elektroner fra beta-henfald til en brugbar strøm, så de var nødt til at bruge højere energi, dyrere - og potentielt farlige - isotoper. Mere effektive halvledende materialer kan parres med relativt godartede isotoper såsom tritium, som producerer svag stråling.
Widetronix’ batterier består af en metalfolie imprægneret med tritiumisotoper og en tynd chip af halvlederen siliciumcarbid, som kan omdanne 30 procent af beta-partiklerne, der rammer den, til en elektrisk strøm. Siliciumcarbid er meget robust, og når vi tynder ud, bliver det fleksibelt, siger Widetronix CEO. Jonathan Greene . Når vi stabler chips og folier op i en pakke på kvadratcentimeter og to tiendedele centimeter høj, har vi et produkt på én mikrowatt. Prototypen, der testes af Lockheed Martin, producerer 25 nanowatt strøm.
Betavoltaics er ikke særlig kraftfulde. De har ikke nær nok strøm til at køre en bærbar computer eller en mobiltelefon. Men deres energitæthed er høj: De lagrer meget energi i film, der kun er mikrometer tykke og kan laves i meget små pakker. Vi fokuserer på steder, hvor du har brug for en meget lang levetid og energitæthed, siger Greene.
Et sådant sted er overvågning af militært udstyr. Alt, hvad Forsvarsministeriet udsender, skal have anti-manipulationsbeskyttelse, så hvis nogen får fingrene i søgende hovedet af et missil eller et helt fly, ville det være meget svært at reverse-engine det, siger Christian Adams, kemiker ved Lockheed Martin missiler og ildkontrol . Hukommelseschipsene, der styrer sådanne anti-tamper-systemer, siger Adams, kræver meget lav kontinuerlig effekt over lang tid. Militære specifikationer kræver også, at disse enheder modstår ekstreme forhold, som normale batterier ikke kan tolerere: de skal fungere i temperaturer fra -65 til 150 ˚C og modstå højfrekvente vibrationer, høj luftfugtighed og saltstød. Hvis batteriet fryser ud eller dør ud, mister hukommelseskredsløbet sin konfiguration, og enheden svigter, siger Adams.
Widetronix er den første ud af porten med noget, der kan testes til militære specifikationer, siger Adams. Lockheed modtog virksomhedens prototyper i sidste uge. Hvis betavoltaikerne består testen, vil Lockheed formentlig have dem i anti-tamper-produkter om cirka et års tid, siger han. Lockheed arbejder også sammen med virksomheden om at udvikle betavoltaik med højere effekt til fjernovervågning af missiler. At sende et radiosignal for at sige, at jeg er sund, kræver mikrowatt strøm, siger Adams. Widetronix tester også sine batterier med medicinsk udstyrsfirmaet Welch Allyn. Det forventer at sælge batterierne for $500.
City Labs Cabauy siger, at selvom udsigten til nukleare batterier, især til medicinske implantater, kan hæve øjenbrynene, er tritium sikkert. Udover beta-partiklen er andre produkter af tritiums henfald en antineutrino og en isotop af helium, der ikke er radioaktivt. Et stykke papir kan stoppe strålingen fra tritium, siger Cabauy.
Det fremtidige løfte om betavoltaik kan være i meget billige sensorer indlejret i bygninger og broer, hvor du aldrig ønsker at skifte batteriet, siger Amit Lal , professor i elektro- og computerteknik ved Cornell University. Dette ville dog kræve, at virksomheder som Widetronix flytter til materialer med længere halveringstid, såsom nikkelisotoper, der holder 100 år. Mens tritium kun har en halveringstid på 12,3 år, er en af dets vigtigste fordele, udover sikkerheden, at det kan sikres billigt fra canadiske atomreaktorer, der producerer tungt vand som et biprodukt. Isotoper med længere halveringstid som nikkel-63 skal købes i udlandet til høje priser. Siden slutningen af den kolde krig er der ingen regeringsstøtte til radioisotopinfrastruktur i USA, siger Lal. At lave batterier, der holder evigt, er sandsynligvis god grund til at bygge den infrastruktur.