Videnskaben er i øjeblikket i udvikling. Et atombatteri er allerede blevet opfundet. En sådan energikilde kan holde i op til 50 og nogle gange op til 100 år. Det hele afhænger af størrelsen og det anvendte radioaktive stof.
Rosatom var den første til at annoncere produktionen af et atombatteri. I 2017 præsenterede virksomheden en prototype på en udstilling.
Forskere har haft succes med at optimere lagene i et atombatteri, der bruger beta-henfaldet af nikkel-63-isotopen til at generere elektricitet.
1 gram af dette stof indeholder 3300 milliwatt-timer.
Hvordan et atombatteri fungerer
Et atombatteri, også kendt som en radioisotopvarmegenerator (RIHG), er en strømkilde, der bruger henfaldsprocessen af radioaktive isotoper til at generere varme og til gengæld omdanne den til elektrisk energi.
Funktionsprincippet for et atombatteri er baseret på radioaktivt henfald, hvor atomkerner opløses og udsender partikler og energi. Et af de mest almindelige materialer, der anvendes i atombatterier, er plutonium-238, som har en lang halveringstid. Plutonium-238 henfalder til uran-234 og udsender alfapartikler. Disse partikler indeholder høj energi, som omdannes til varme, når de interagerer med miljøet.
Varmeproduktion er et nøgletrin i driften af et atombatteri. Varme overføres gennem en varmeveksler til en termoelektrisk konverter. Denne konverter indeholder materialer, der er i stand til at generere elektrisk strøm, når den udsættes for en temperaturforskel. Således overføres varme fra det radioaktive henfald af plutonium-238 til den ene side af den termoelektriske konverter, hvilket skaber en temperaturforskel mellem dens to sider. Denne temperaturforskel muliggør generering af elektrisk energi ved hjælp af Seebeck-termoelektriske effekten.
Den elektriske energi, der genereres af en termoelektrisk konverter, bruges til at drive elektriske apparater. Den største fordel ved atombatterier er, at de giver en stabil og langvarig energikilde, der ikke kræver udskiftning eller genopladning i mange år. På grund af brugen af radioaktive materialer indebærer atombatterier dog visse risici og kræver særlige sikkerhedsforanstaltninger under brug og håndtering.
Er atombatterier farlige?
Udviklerne hævder, at disse batterier er fuldstændig sikre for almindelige mennesker. Dette skyldes, at huset er veldesignet.
Betastråling er kendt for at være skadelig for kroppen. Men i det nyoprettede atombatteri er den blød og vil blive absorberet i energicellen.
I øjeblikket identificerer eksperter flere industrier, hvor det russiske A123-atombatteri er planlagt til brug:
- Medicin.
- Rumfartsindustrien.
- Industri.
- Transportere.
Udover disse områder kan nye langtidsholdbare energikilder også anvendes i andre.
Fordele ved et atombatteri
En række positive kvaliteter fremhæves:
- Holdbarhed. De kan holde i op til 100.000 år.
- Evne til at modstå kritiske temperaturer.
- Deres lille størrelse gør dem bærbare og kan bruges i kompakt udstyr.
Ulemper ved et atombatteri
- Produktionens kompleksitet.
- Der er risiko for strålingseksponering, især hvis huset er beskadiget.
- Dyrt. Et enkelt atombatteri kan koste mellem 500.000 og 4.500.000 rubler.
- Tilgængelig for en begrænset kreds af mennesker.
- Lille udvalg.
Forskning og udvikling af atombatterier udføres ikke kun af store virksomheder, men også af almindelige studerende. En studerende i Tomsk har for eksempel udviklet sit eget atomdrevne batteri, der kan fungere i cirka 12 år uden genopladning. Opfindelsen er baseret på henfald af tritium. Dette batteris egenskaber forbliver uændrede over tid.
Atombatteri til smartphones
Fra 2019 produceres der atomkraftkilder til telefoner. De ligner den, der er vist på billedet nedenfor.
De ligner en mikrochip, der passer ind i særlige slots i en mobiltelefon. Et sådant batteri kan holde i 20 år, og det behøver ikke at blive opladet i den tid. Dette er muligt takket være processen med nuklear fission. Denne energikilde kan dog være alarmerende for mange. Alle ved trods alt, at stråling er skadelig og ødelæggende for kroppen. Og få mennesker ville nyde at bære sådan en telefon rundt hele dagen lang.
Men forskere hævder, at dette atombatteri er fuldstændig sikkert. Tritium bruges som det aktive stof. Den stråling, der udsendes under dets henfald, er harmløs. Man kan se tritium i aktion på et selvlysende kvartsur. Batteriet kan modstå temperaturer helt ned til -50°C og fungerer pålideligt ved temperaturer helt op til 150°C.0Samtidig blev der ikke bemærket nogen udsving i dens arbejde.
Det ville være rart at have sådan et batteri ved hånden, i det mindste til at genoplade din telefon med et almindeligt batteri.
Spændingen på et sådant batteri svinger mellem 0,8 og 2,4 volt. Det genererer også mellem 50 og 300 nanoampere. Og alt dette sker over en periode på 20 år.
Kapaciteten beregnes som følger: C = 0,000001W * 50 år * 365 dage * 24 timer / 2V = 219mA
Batteriet er i øjeblikket vurderet til 1.122 dollars. Omregnet til rubler med den nuværende valutakurs (65,42) ville det være 73.400 rubler.
Hvor bruges atombatterier?
Anvendelsesområdet er praktisk talt det samme som for konventionelle batterier. De bruges i:
- Mikroelektronik.
- Tryk- og temperatursensorer.
- Implantater.
- Som powerbanks til litiumbatterier.
- Identifikationssystemer.
- Timer.
- SRAM-hukommelse.
- Til strømforsyning af lavenergiprocessorer, såsom FPGA, ASIC.
Dette er ikke de eneste enheder; deres liste vil udvides betydeligt i fremtiden.
Nikkel-63 atombatteri og dets egenskaber
Denne atomkraftkilde, baseret på 63-isotopen, kan holde i op til 50 år. Den fungerer via den beta-voltaiske effekt. Den er næsten identisk med den fotoelektriske effekt. I denne effekt dannes elektron-hul-par i halvlederkrystalgitteret ved hjælp af hurtige elektroner eller betapartikler. I den fotoelektriske effekt dannes de ved hjælp af fotoner.
Et nikkel-63 atombatteri produceres ved at bestråle nikkel-62-mål i en reaktor. Forsker Gavrilov hævder, at denne proces tager omkring et år. De nødvendige mål er allerede tilgængelige i Zheleznogorsk.
Hvis vi sammenligner de nye russiske nikkel-63 atombatterier med lithium-ion-batterier, vil de være 30 gange mindre.
Eksperter hævder, at disse energikilder er sikre for mennesker, fordi de udsender svage betastråler. Desuden frigives de ikke eksternt, men forbliver inde i enheden.
Denne strømkilde er i øjeblikket ideel til medicinske pacemakere. Udviklerne har dog ikke oplyst prisen. Den kan dog beregnes uden dem. Et gram Ni-63 koster i øjeblikket cirka 4.000 dollars. Derfor ville et fuldt funktionelt batteri kræve en betydelig investering.
Sammensætningen af et atombatteri
Nikkel-63 udvindes fra diamanter. Udvindingen af denne isotop krævede dog udvikling af en ny teknologi til at skære det holdbare diamantmateriale.
Et atombatteri består af en emitter og en kollektor, der er adskilt af en særlig film. Når det radioaktive element henfalder, udsender det betastråling. Dette resulterer i en positiv ladning. Samtidig bliver kollektoren negativt ladet. Dette skaber en potentiel forskel, der genererer en elektrisk strøm.
Vores atomkraftcelle er i bund og grund en lagdelt kage. 200 nikkel-63 strømkilder er klemt inde mellem 200 diamanthalvledere. Strømkilden er cirka 4 mm høj og vejer 250 milligram. Dens lille størrelse er en stor fordel for det russiske atombatteri.
Det er vanskeligt at finde de rigtige dimensioner. En tyk isotop vil forhindre de elektroner, den producerer, i at undslippe. En tynd isotop er en ulempe, da den reducerer antallet af beta-henfald pr. tidsenhed. Det samme gælder for halvlederens tykkelse. Batteriet fungerer bedst med en isotoptykkelse på omkring 2 mikron, mens en diamanthalvleder kræver 10 mikron.
Men hvad forskere har opnået indtil videre, er ikke grænsen. Udstødningsemissionerne kunne øges med mindst tre gange. Det betyder, at et atombatteri kunne gøres tre gange billigere.
Et kulstof-14-atombatteri, der holder i 100 år.
Dette atombatteri har følgende fordele i forhold til andre strålingskilder:
- Billighed.
- Miljøvenlig.
- Lang levetid på op til 100 år.
- Lav toksicitet.
- Sikkerhed.
- I stand til at fungere under ekstreme temperaturforhold.
Den radioaktive isotop kulstof-14 har en halveringstid på 5.700 år. Den er fuldstændig giftfri og billig.
Ikke kun USA og Rusland, men også andre lande arbejder aktivt på at modernisere atombatterier! Forskere har lært at dyrke film på et hårdmetalsubstrat. Som et resultat er substratets pris faldet med en faktor 100. Denne struktur er modstandsdygtig over for stråling, hvilket gør denne energikilde sikker og holdbar. Ved at bruge siliciumcarbid i atombatterier er det muligt at opnå drift ved temperaturer på 350 grader Celsius.
Således lykkedes det forskerne at skabe et atombatteri med deres egne hænder!
