Η ατομική μπαταρία στον σύγχρονο κόσμο

Η επιστήμη αυτή τη στιγμή προοδεύει και αναπτύσσεται. Έχει ήδη εφευρεθεί μια πυρηνική μπαταρία. Μια τέτοια πηγή ενέργειας μπορεί να διαρκέσει έως και 50, και μερικές φορές έως και 100 χρόνια. Όλα εξαρτώνται από το μέγεθος και τη ραδιενεργό ουσία που χρησιμοποιείται.

Η Rosatom ήταν η πρώτη που ανακοίνωσε την παραγωγή πυρηνικής μπαταρίας. Το 2017, η εταιρεία παρουσίασε ένα πρωτότυπο σε μια έκθεση.

Ερευνητές κατάφεραν να βελτιστοποιήσουν τα στρώματα μιας πυρηνικής μπαταρίας που χρησιμοποιεί τη βήτα διάσπαση του ισοτόπου νικελίου-63 για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

1 γραμμάριο αυτής της ουσίας περιέχει 3300 χιλιοβατώρες.

Πώς λειτουργεί μια ατομική μπαταρία

Μια ατομική μπαταρία, επίσης γνωστή ως γεννήτρια θερμότητας ραδιοϊσοτόπων (RIHG), είναι μια πηγή ενέργειας που χρησιμοποιεί τη διαδικασία διάσπασης ραδιενεργών ισοτόπων για να παράγει θερμότητα και, με τη σειρά της, να τη μετατρέψει σε ηλεκτρική ενέργεια.

Η αρχή λειτουργίας μιας ατομικής μπαταρίας βασίζεται στην ραδιενεργό διάσπαση, κατά την οποία οι πυρήνες των ατόμων αποσυντίθενται, εκπέμποντας σωματίδια και ενέργεια. Ένα από τα πιο συνηθισμένα υλικά που χρησιμοποιούνται στις ατομικές μπαταρίες είναι το πλουτώνιο-238, το οποίο έχει μεγάλο χρόνο ημιζωής. Το πλουτώνιο-238 διασπάται σε ουράνιο-234, εκπέμποντας σωματίδια άλφα. Αυτά τα σωματίδια περιέχουν υψηλή ενέργεια, η οποία μετατρέπεται σε θερμότητα όταν αλληλεπιδρά με το περιβάλλον.

Η παραγωγή θερμότητας είναι ένα βασικό βήμα στη λειτουργία μιας ατομικής μπαταρίας. Η θερμότητα μεταφέρεται μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας σε έναν θερμοηλεκτρικό μετατροπέα. Αυτός ο μετατροπέας περιέχει υλικά ικανά να παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα όταν υπόκεινται σε διαφορά θερμοκρασίας. Έτσι, η θερμότητα από τη ραδιενεργό διάσπαση του πλουτωνίου-238 μεταφέρεται στη μία πλευρά του θερμοηλεκτρικού μετατροπέα, δημιουργώντας μια διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο πλευρών του. Αυτή η διαφορά θερμοκρασίας επιτρέπει την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιώντας το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο Seebeck.

Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από έναν θερμοηλεκτρικό μετατροπέα χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία ηλεκτρικών συσκευών. Το κύριο πλεονέκτημα των ατομικών μπαταριών είναι ότι παρέχουν μια σταθερή, μακράς διαρκείας πηγή ενέργειας, που δεν απαιτεί αντικατάσταση ή επαναφόρτιση για πολλά χρόνια. Ωστόσο, λόγω της χρήσης ραδιενεργών υλικών, οι ατομικές μπαταρίες ενέχουν ορισμένους κινδύνους και απαιτούν ειδικές προφυλάξεις ασφαλείας κατά τη χρήση και τον χειρισμό.

 

Είναι επικίνδυνες οι πυρηνικές μπαταρίες;

Οι κατασκευαστές ισχυρίζονται ότι αυτές οι μπαταρίες είναι απολύτως ασφαλείς για τους απλούς ανθρώπους. Αυτό συμβαίνει επειδή το περίβλημα είναι καλά σχεδιασμένο.

Η ακτινοβολία βήτα είναι γνωστό ότι είναι επιβλαβής για το σώμα. Αλλά στη νεοσύστατη πυρηνική μπαταρία, είναι μαλακή και θα απορροφηθεί μέσα στο ενεργειακό στοιχείο.

Επί του παρόντος, οι ειδικοί εντοπίζουν αρκετές βιομηχανίες στις οποίες σχεδιάζεται να χρησιμοποιηθεί η πυρηνική μπαταρία A123 της Ρωσίας:

1. Φάρμακο.
2. Διαστημική βιομηχανία.
3. Βιομηχανία.
4. Μεταφορά.

Εκτός από αυτούς τους τομείς, νέες μακροπρόθεσμες πηγές ενέργειας μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν και σε άλλους.

Πλεονεκτήματα μιας πυρηνικής μπαταρίας

Επισημαίνονται ορισμένα θετικά χαρακτηριστικά:

• Ανθεκτικότητα. Μπορούν να διαρκέσουν έως και 100.000 χρόνια.
• Ικανότητα αντοχής σε κρίσιμες θερμοκρασίες.
• Το μικρό τους μέγεθος τους επιτρέπει να είναι φορητά και να χρησιμοποιούνται σε συμπαγή εξοπλισμό.

Μειονεκτήματα μιας πυρηνικής μπαταρίας

• Πολυπλοκότητα παραγωγής.
• Υπάρχει κίνδυνος έκθεσης σε ακτινοβολία, ειδικά εάν το περίβλημα έχει υποστεί ζημιά.
• Ακριβό. Μια μεμονωμένη πυρηνική μπαταρία μπορεί να κοστίσει μεταξύ 500.000 και 4.500.000 ρούβλια.
• Διαθέσιμο σε περιορισμένο κύκλο ατόμων.
• Μικρή επιλογή.

Η έρευνα και ανάπτυξη πυρηνικών μπαταριών διεξάγεται όχι μόνο από μεγάλες εταιρείες αλλά και από απλούς φοιτητές. Ένας φοιτητής στο Τομσκ, για παράδειγμα, ανέπτυξε τη δική του πυρηνική μπαταρία που μπορεί να λειτουργεί για περίπου 12 χρόνια χωρίς επαναφόρτιση. Η εφεύρεση βασίζεται στην αποσύνθεση του τριτίου. Τα χαρακτηριστικά αυτής της μπαταρίας παραμένουν αμετάβλητα με την πάροδο του χρόνου.

Πυρηνική μπαταρία για smartphones

Από το 2019, παράγονται πυρηνικές πηγές ενέργειας για τηλέφωνα. Μοιάζουν με αυτές που φαίνονται στην παρακάτω εικόνα.

Μοιάζουν με μικροτσίπ που χωράει σε ειδικές υποδοχές σε ένα κινητό τηλέφωνο. Μια τέτοια μπαταρία μπορεί να διαρκέσει για 20 χρόνια και δεν χρειάζεται φόρτιση κατά τη διάρκεια αυτού του χρόνου. Αυτό είναι δυνατό χάρη στη διαδικασία της πυρηνικής σχάσης. Ωστόσο, αυτή η πηγή ενέργειας μπορεί να είναι ανησυχητική για πολλούς. Άλλωστε, όλοι γνωρίζουν ότι η ακτινοβολία είναι επιβλαβής και επιζήμια για το σώμα. Και λίγοι άνθρωποι θα απολάμβαναν να κουβαλούν ένα τέτοιο τηλέφωνο όλη μέρα.

Αλλά οι επιστήμονες ισχυρίζονται ότι αυτή η πυρηνική μπαταρία είναι απολύτως ασφαλής. Το τρίτιο χρησιμοποιείται ως δραστική ουσία. Η ακτινοβολία που εκπέμπεται κατά τη διάσπασή της είναι ακίνδυνη. Μπορείτε να δείτε το τρίτιο εν δράσει σε ένα ρολόι χαλαζία που λάμπει στο σκοτάδι. Η μπαταρία μπορεί να αντέξει σε θερμοκρασίες έως και -50°C και λειτουργεί αξιόπιστα σε θερμοκρασίες έως και 150°C.⁰Ταυτόχρονα, δεν παρατηρήθηκαν διακυμάνσεις στο έργο του.

Θα ήταν ωραίο να έχετε μια τέτοια μπαταρία στο χέρι, τουλάχιστον για να επαναφορτίσετε το τηλέφωνό σας με μια κανονική μπαταρία.

Η τάση μιας τέτοιας μπαταρίας κυμαίνεται μεταξύ 0,8 και 2,4 βολτ. Παράγει επίσης μεταξύ 50 και 300 νανοαμπέρ. Και όλα αυτά συμβαίνουν σε μια περίοδο 20 ετών.

Η χωρητικότητα υπολογίζεται ως εξής: C = 0,000001W * 50 έτη * 365 ημέρες * 24 ώρες / 2V = 219mA

Η μπαταρία αποτιμάται αυτήν τη στιγμή στα 1.122 δολάρια. Μετατρεπόμενη σε ρούβλια με την τρέχουσα συναλλαγματική ισοτιμία (65,42), η τιμή της θα ήταν 73.400 ρούβλια.

Πού χρησιμοποιούνται οι πυρηνικές μπαταρίες;

Το πεδίο εφαρμογής είναι πρακτικά το ίδιο με αυτό των συμβατικών μπαταριών. Χρησιμοποιούνται σε:

• Μικροηλεκτρονική.
• Αισθητήρες πίεσης και θερμοκρασίας.
• Εμφυτεύματα.
• Ως power bank για μπαταρίες λιθίου.
• Συστήματα αναγνώρισης.
• Ώρες.
• Μνήμη SRAM.
• Για την τροφοδοσία επεξεργαστών χαμηλής κατανάλωσης, όπως FPGA, ASIC.

Αυτές δεν είναι οι μόνες συσκευές· η λίστα τους θα επεκταθεί σημαντικά στο μέλλον.

Πυρηνική μπαταρία νικελίου-63 και τα χαρακτηριστικά της

Αυτή η πυρηνική πηγή ενέργειας, που βασίζεται στο ισότοπο 63, μπορεί να διαρκέσει έως και 50 χρόνια. Λειτουργεί μέσω του βήτα-βολταϊκού φαινομένου. Είναι σχεδόν πανομοιότυπο με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Σε αυτό το φαινόμενο, ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών στο κρυσταλλικό πλέγμα ημιαγωγών δημιουργούνται από τη δράση ταχέων ηλεκτρονίων ή σωματιδίων βήτα. Στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, δημιουργούνται από τη δράση φωτονίων.

Μια ατομική μπαταρία νικελίου-63 παράγεται με την ακτινοβόληση στόχων νικελίου-62 σε έναν αντιδραστήρα. Ο ερευνητής Γκαβρίλοφ ισχυρίζεται ότι αυτή η διαδικασία διαρκεί περίπου ένα χρόνο. Οι απαραίτητοι στόχοι είναι ήδη διαθέσιμοι στο Ζελεζνογκόρσκ.

Αν συγκρίνουμε τις νέες ρωσικές πυρηνικές μπαταρίες νικελίου-63 με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, θα είναι 30 φορές μικρότερες.

Οι ειδικοί ισχυρίζονται ότι αυτές οι πηγές ενέργειας είναι ασφαλείς για τον άνθρωπο επειδή εκπέμπουν ασθενείς ακτίνες βήτα. Επιπλέον, δεν απελευθερώνονται εξωτερικά, αλλά παραμένουν μέσα στη συσκευή.

Αυτή η πηγή ενέργειας είναι προς το παρόν ιδανική για ιατρικούς βηματοδότες. Ωστόσο, οι κατασκευαστές δεν έχουν αποκαλύψει το κόστος. Ωστόσο, μπορεί να υπολογιστεί και χωρίς αυτούς. Ένα γραμμάριο Ni-63 κοστίζει σήμερα περίπου 4.000 δολάρια. Επομένως, μια πλήρως λειτουργική μπαταρία θα απαιτούσε μια σημαντική επένδυση.

Σύνθεση μιας πυρηνικής μπαταρίας

Το νικέλιο-63 εξάγεται από τα διαμάντια. Ωστόσο, η απόκτηση αυτού του ισοτόπου απαιτούσε την ανάπτυξη μιας νέας τεχνολογίας για την κοπή του ανθεκτικού υλικού διαμαντιών.

Μια πυρηνική μπαταρία αποτελείται από έναν πομπό και έναν συλλέκτη που χωρίζονται από μια ειδική μεμβράνη. Καθώς το ραδιενεργό στοιχείο διασπάται, εκπέμπει ακτινοβολία βήτα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το θετικό του φορτίο. Ταυτόχρονα, ο συλλέκτης φορτίζεται αρνητικά. Αυτό δημιουργεί μια διαφορά δυναμικού, παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα.

Ουσιαστικά, το ατομικό μας στοιχείο ενέργειας είναι μια πολυεπίπεδη πίτα. 200 πηγές ενέργειας νικελίου-63 βρίσκονται ανάμεσα σε 200 διαμαντένιους ημιαγωγούς. Η πηγή ενέργειας έχει ύψος περίπου 4 mm και ζυγίζει 250 χιλιοστά. Το μικρό της μέγεθος αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα για τη ρωσική ατομική μπαταρία.

Η εύρεση των σωστών διαστάσεων είναι δύσκολη. Ένα παχύ ισότοπο θα εμποδίσει τα ηλεκτρόνια που παράγει να διαφύγουν. Ένα λεπτό ισότοπο είναι μειονεκτικό, καθώς μειώνει τον αριθμό των βήτα διασπάσεων ανά μονάδα χρόνου. Το ίδιο ισχύει και για το πάχος του ημιαγωγού. Η μπαταρία αποδίδει καλύτερα με πάχος ισοτόπου περίπου 2 μικρών, ενώ ένας διαμαντένιος ημιαγωγός απαιτεί 10 μικρά.

Αλλά αυτό που έχουν καταφέρει μέχρι στιγμής οι επιστήμονες δεν είναι το όριο. Οι εκπομπές καυσαερίων θα μπορούσαν να αυξηθούν τουλάχιστον τρεις φορές. Αυτό σημαίνει ότι μια πυρηνική μπαταρία θα μπορούσε να γίνει τρεις φορές φθηνότερη.

Μια πυρηνική μπαταρία άνθρακα-14 που διαρκεί 100 χρόνια.

Αυτή η ατομική μπαταρία έχει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες πηγές ενέργειας ακτινοβολίας:

1. Φτήνια.
2. Φιλικό προς το περιβάλλον.
3. Μεγάλη διάρκεια ζωής έως και 100 χρόνια.
4. Χαμηλή τοξικότητα.
5. Ασφάλεια.
6. Ικανότητα λειτουργίας σε ακραίες συνθήκες θερμοκρασίας.

Το ραδιενεργό ισότοπο άνθρακας-14 έχει χρόνο ημιζωής 5.700 ετών. Είναι εντελώς μη τοξικό και φθηνό.

Όχι μόνο οι ΗΠΑ και η Ρωσία, αλλά και άλλες χώρες εργάζονται ενεργά για τον εκσυγχρονισμό των πυρηνικών μπαταριών! Οι ερευνητές έχουν μάθει να καλλιεργούν φιλμ σε υπόστρωμα καρβιδίου. Ως αποτέλεσμα, το κόστος του υποστρώματος έχει μειωθεί κατά 100 φορές. Αυτή η δομή είναι ανθεκτική στην ακτινοβολία, καθιστώντας αυτήν την πηγή ενέργειας ασφαλή και ανθεκτική. Χρησιμοποιώντας καρβίδιο του πυριτίου σε πυρηνικές μπαταρίες, είναι δυνατή η λειτουργία σε θερμοκρασίες 350 βαθμών Κελσίου.

Έτσι, οι επιστήμονες κατάφεραν να δημιουργήσουν μια ατομική μπαταρία με τα χέρια τους!