Prototyp jaderné baterie má desetkrát vyšší výkon

Datum 14.05.2022

Prototyp jaderné baterie. Foto: Moskevský fyzikální a technologický institut

Ruští vědci z Moskevského fyzikálního a technologického institutu (MIPT), Technologického institutu pro supertvrdé a nové uhlíkové materiály (TISNCM) a Národní vědeckotechnické univerzity MISIS optimalizovali konstrukci jaderné baterie, která generuje energii z beta rozpadu radioaktivního izotopu niklu-63.

Jejich prototyp baterie obsahuje přibližně 3 300 miliwatthodin energie na jeden gram, což je více než v jakékoli jiné jaderné baterii založené na niklu-63 a desetkrát více než specifická energie komerčních chemických článků.

Běžné baterie pro elektrická zařízení využívají energii tzv. redoxních chemických reakcí. V nich se elektrony přenášejí z jedné elektrody na druhou prostřednictvím elektrolytu. Tím vzniká rozdíl potenciálů mezi elektrodami. Pokud se pak oba póly baterie propojí vodičem, začnou proudit elektrony, které tento rozdíl potenciálů odstraní, a vznikne elektrický proud.

Chemické baterie, známé také jako galvanické články, se vyznačují vysokou hustotou výkonu – tj. poměrem mezi výkonem generovaného proudu a objemem baterie. Chemické články se však vybíjejí za relativně krátkou dobu, což omezuje jejich použití v autonomních zařízeních. Některé z těchto baterií, tzv. akumulátory, jsou dobíjecí, ale i ty je třeba pro nabíjení vyměnit. To může být nebezpečné, jako v případě kardiostimulátoru, nebo dokonce nemožné, pokud baterie napájí přístroje na kosmické lodi.

Chemické reakce jsou naštěstí jen jedním z možných zdrojů elektrické energie. Již v roce 1913 vynalezl Henry Moseley první generátor elektrické energie založený na radioaktivním rozpadu. Jeho jaderná baterie se skládala ze skleněné koule postříbřené zevnitř s radiačním zářičem umístěným uprostřed na izolované elektrodě.

Elektrony vznikající při rozpadu beta radia způsobily rozdíl potenciálů mezi stříbrnou vrstvou a centrální elektrodou. Napětí však bylo příliš vysoké – desítky kilovoltů – a proud byl pro praktické použití příliš malý.

V roce 1953 navrhl Paul Rappaport použití polovodičových materiálů k přeměně energie rozpadu beta částic na elektřinu. Baterie napájené beta rozpadem se začaly označovat jako betavoltaika. Hlavní výhodou betavoltaických článků oproti galvanickým článkům je jejich dlouhá životnost: Radioaktivní izotopy používané v jaderných bateriích mají poločas rozpadu v rozmezí desítek až stovek let, takže jejich výkon zůstává téměř konstantní po velmi dlouhou dobu. Bohužel hustota výkonu betavoltaických článků je výrazně nižší než u jejich galvanických protějšků. Přesto se betavoltaické články v 70. letech používaly k napájení kardiostimulátorů, než byly nahrazeny levnějšími lithium-iontovými bateriemi, přestože ty mají kratší životnost.

Betavoltaické zdroje energie by neměly být zaměňovány s radioizotopovými termoelektrickými generátory (RTG), kterým se také říká jaderné baterie, ale fungují na jiném principu. Termoelektrické články převádějí teplo uvolněné radioaktivním rozpadem na elektřinu pomocí termočlánků. Účinnost RTG je pouze několik procent a závisí na teplotě. Díky své dlouhé životnosti a relativně jednoduché konstrukci se však termoelektrické zdroje energie hojně využívají k napájení kosmických lodí, jako je například sonda New Horizons nebo marsovské vozítko Curiosity. RTG se dříve používaly u bezpilotních vzdálených zařízení, jako jsou majáky a automatické meteorologické stanice. Od této praxe se však upustilo, protože použité radioaktivní palivo se obtížně recyklovalo a unikalo do životního prostředí.

Výzkumný tým vedený Vladimírem Blankem, ředitelem TISNCM a vedoucím katedry fyziky a chemie nanostruktur na MIPT, přišel na způsob, jak zvýšit hustotu energie jaderné baterie téměř desetkrát. Fyzikové vyvinuli a vyrobili betavoltaickou baterii využívající nikl-63 jako zdroj záření a diamantové diody na bázi Schottkyho bariéry pro přeměnu energie. Prototyp baterie dosáhl výstupního výkonu přibližně 1 mikrowattu, přičemž hustota výkonu na centimetr krychlový činila 10 mikrowattů, což je dost pro moderní umělý kardiostimulátor. Nikl-63 má poločas rozpadu 100 let, takže baterie obsahuje přibližně 3 300 miliwatthodin energie na 1 gram – 10krát více než elektrochemické články.

Schéma konstrukce jaderné baterie. (Zdroj schématu: V. Bormashov/Diamond and Related Materials)

Prototyp jaderné baterie se skládal z 200 diamantových měničů proložených vrstvami niklu-63 a stabilní niklové fólie (viz schéma). Množství energie generované konvertorem závisí na tloušťce niklové fólie a samotného konvertoru, protože obojí ovlivňuje, kolik beta částic je absorbováno. Cílem výzkumníků bylo maximalizovat hustotu energie jejich niklové baterie-63. Za tímto účelem numericky simulovali průchod elektronů zdrojem beta a měniči. Ukázalo se, že zdroj niklu-63 je nejúčinnější, když má tloušťku 2 mikrometry, a optimální tloušťka měniče založeného na diamantových diodách se Schottkyho bariérou je přibližně 10 mikrometrů.

Baterie má perspektivu využití v medicíně. Většina nejmodernějších kardiostimulátorů má velikost přes 10 centimetrů krychlových a vyžaduje přibližně 10 mikrowattů energie. Nová jaderná baterie by mohla být použita k napájení těchto přístrojů, aniž by se výrazně změnila jejich konstrukce a velikost. “Věčné kardiostimulátory”, jejichž baterie není třeba vyměňovat ani servisovat, by zlepšily kvalitu života pacientů.

Z kompaktních jaderných baterií by měl velký prospěch také kosmický průmysl. Zejména existuje poptávka po autonomních bezdrátových externích senzorech a paměťových čipech s integrovaným systémem napájení pro kosmické lodě. Diamant je jedním z nejodolnějších polovodičů proti záření. Protože má také velké pásmo pracovní použitelnosti, může pracovat v širokém rozsahu teplot, což z něj činí ideální materiál pro jaderné baterie napájející kosmické lodě.

Michal Matějíček
zdroj: MIPT

Steinel 700 x 200 px

Komentáře k článku (2)

Napsat komentář