Atombatteriet

Det typiske fremtidsteknologiske scenariet krever millioner av laveffekts radiofrekvensenheter spredt over hele miljøet vårt – fra sensormatriser i fabrikkgulvet til medisinske implantater til smarte enheter for slagmarker.

På grunn av den korte og uforutsigbare levetiden til kjemiske batterier, vil imidlertid regelmessige utskiftninger være nødvendig for å holde disse enhetene summende. Brenselceller og solceller krever lite vedlikehold, men førstnevnte er for dyre for så beskjedne, laveffektapplikasjoner, og sistnevnte trenger mye sol.

Et tredje alternativ kan imidlertid gi et kraftig – og trygt – alternativ. Det kalles Direct Energy Conversion (DEC) Cell, et betavoltaikkbasert atombatteri som kan kjøre i over et tiår på elektronene som genereres av det naturlige forfallet til den radioaktive isotopen tritium. Den er utviklet av forskere ved University of Rochester og en oppstart, BetaBatt, i et prosjekt beskrevet i 13. mai-utgaven av Advanced Materials og delvis finansiert av National Science Foundation.



Fordi tritiums halveringstid er 12,3 år (tiden da halvparten av dens radioaktive energi har blitt sendt ut), kan DEC-cellen gi et tiår med kraft for mange bruksområder. Det vil åpenbart være en økonomisk fordel – spesielt for applikasjoner der det er svært upraktisk å bytte batterier, for eksempel i medisin og olje- og gruveindustri, som ofte plasserer sensorer på farlige eller vanskelig tilgjengelige steder.

Et av hovedmarkedene våre er for eksterne, svært vanskelige å erstatte sensorer, sier Larry Gadeken, sjefoppfinner og president i BetaBatt. Du kan plassere dette [batteriet] én gang og la det være i fred.

Betavoltaiske enheter bruker radioisotoper som sender ut relativt ufarlige beta-partikler, i stedet for farligere gammafotoner. De har faktisk blitt testet i laboratorier i 50 år - men de genererer så lite strøm at en større kommersiell rolle for dem ennå ikke er funnet. Så langt har tritiumdrevet betavoltaikk, som krever minimalt med skjerming og ikke klarer å trenge gjennom menneskelig hud, blitt brukt til å lyse opp utgangsskilt og glødende klokker. En kommersiell versjon av DEC Cell vil sannsynligvis ikke ha nok juice til å drive en mobiltelefon – men nok for en sensor eller pacemaker.

Nøkkelen til å gjøre DEC-cellen mer levedyktig er å øke effektiviteten som den skaper kraft med. Tidligere har betavoltaikkforskere brukt et design som ligner på en solcelle: en flat skive er belagt med et diodemateriale som skaper elektrisk strøm når det bombarderes av utsendte elektroner. Men alle unntatt elektronpartiklene som skyter ned mot diodene går tapt i den designen, sier professor i elektro- og datateknikk ved University of Rochester, Phillipe Fauchet, som utviklet det mer effektive designet basert på Gadekens konsept.

Løsningen var å eksponere mer av den reaktive overflaten for partiklene ved å lage en porøs silisiumdiodeskive drysset med én mikron brede, 40 mikron dype groper. Når den radioaktive gassen okkuperer disse gropene, skaper den maksimal mulighet for å utnytte reaksjonen.

Like viktig er prosessen lett reproduserbar og billig, sier Fauchet – en nødvendighet hvis DEC Cell skal være kommersielt levedyktig.

Fremstillingsteknikkene kan være rimelige, men selve tritiumet – et biprodukt av kjernekraftproduksjon – er fortsatt dyrere enn litiumet i mobiltelefonbatteriet ditt. Kostnaden er imidlertid mindre av et problem for enheter designet spesielt for å samle inn vanskelige data.

Kostnader er bare én grunn til at Gadeken sier at han ikke vil forfølge det batterihungrige markedet for forbrukerelektronikk. Andre problemer inkluderer regulerings- og markedsføringshindringene ved å drive massemarkedsenheter med radioaktive materialer og den store batteristørrelsen som vil være nødvendig for å generere tilstrekkelig strøm. Likevel, sier han, kan teknologien en dag bli brukt som en vedlikeholdslading enhet for litium-ion-batterier.

I stedet retter selskapet seg mot markedssektorer som trenger langsiktig batterikraft og som har en komfortabel kjennskap til kjernefysiske materialer.

Vi retter oss mot applikasjoner som medisinsk teknologi, som allerede bruker radioaktivitet, sier Gadeken.

For eksempel fortsetter mange implantatpasienter å overleve batteriene sine og krever kostbar og risikabel erstatningsoperasjon.

Til slutt håper Gadeken å tjene NASA også, hvis selskapet kan finne en måte å hente ut nok energi fra tritium til å drive et romfartsobjekt. Rombyråer er interessert i sikrere og lettere strømkilder enn de plutoniumdrevne Radioisotope Thermal Generators (RTG) som brukes i robotoppdrag, for eksempel Voyager, som har en RTG-strømkilde som er ment å kjøre til rundt 2020.

Videre vil en betavoltaisk kraftkilde sannsynligvis lindre miljøhensyn, slik som de som ble gitt uttrykk for ved lanseringen av Cassini-satellittoppdraget til Saturn, da demonstranter fryktet at en eksplosjon kan føre til nedfall over Florida.

For nå håper imidlertid Gadeken å interessere det medisinske feltet og en rekke nisjemarkeder innen sub-sea, sub-surface og polare sensorapplikasjoner, med fokus på oljeindustrien.

Og neste trinn er å tilpasse teknologien for bruk i svært små batterier som kan drive mikro-elektro-mekaniske systemer (MEMS) enheter, slik som de som brukes i optiske brytere eller de frittflytende smarte støvsensorene som utvikles av militæret.

Faktisk er en annen betavoltaisk enhet, under utvikling ved Cornell University, også rettet mot MEMS-kraftmarkedet. Den radioisotopdrevne piezoelektriske generatoren, som kommer i prototypeform om noen år, vil kombinere en betavoltaisk celle med en tritiumdrevet elektromekanisk utkragende enhet som ble demonstrert første gang i 2002.

Amit Lal, en av Cornell-forskerne, tilbyr både ros og forsiktig skepsis til DEC Cell. Mens han er imponert over kraftutgangen fra DEC Cell, sa han at det fortsatt er problemer med strømlekkasje. For å unngå de potensielle lekkasjeproblemene bruker Cornell et litt større waferdesign. De planlegger også å gå over til en porøs design og enten fast eller flytende tritium for å forbedre effektiviteten.

Lal bemerker også at markedet for enten Cornells enhet eller DEC Cell kan bli presset av nyere, lengre holdbare litiumbatterier. Likevel er det en nisje for svært små enheter, mener han, spesielt de som må gå lenger enn ti år.

gjemme seg