Veda v súčasnosti napreduje a vyvíja sa. Jadrová batéria už bola vynájdená. Takýto zdroj energie môže vydržať až 50 a niekedy až 100 rokov. Všetko závisí od veľkosti a použitej rádioaktívnej látky.
Spoločnosť Rosatom ako prvá oznámila výrobu jadrovej batérie. V roku 2017 spoločnosť predstavila prototyp na výstave.
Výskumníkom sa podarilo optimalizovať vrstvy jadrovej batérie, ktorá využíva beta rozpad izotopu niklu-63 na výrobu elektriny.
1 gram tejto látky obsahuje 3300 miliwatthodín.
Ako funguje atómová batéria
Atómová batéria, známa aj ako rádioizotopový generátor tepla (RIHG), je zdroj energie, ktorý využíva proces rozpadu rádioaktívnych izotopov na generovanie tepla a následne ho premieňa na elektrickú energiu.
Princíp fungovania atómovej batérie je založený na rádioaktívnom rozpade, pri ktorom sa jadrá atómov rozpadajú a uvoľňujú častice a energiu. Jedným z najbežnejších materiálov používaných v atómových batériách je plutónium-238, ktoré má dlhý polčas rozpadu. Plutónium-238 sa rozpadá na urán-234 a uvoľňuje alfa častice. Tieto častice obsahujú vysokú energiu, ktorá sa pri interakcii s prostredím premieňa na teplo.
Generovanie tepla je kľúčovým krokom v prevádzke atómovej batérie. Teplo sa prenáša cez výmenník tepla do termoelektrického meniča. Tento menič obsahuje materiály schopné generovať elektrický prúd pri teplotnom rozdiele. Teplo z rádioaktívneho rozpadu plutónia-238 sa teda prenáša na jednu stranu termoelektrického meniča, čím sa vytvára teplotný rozdiel medzi jeho dvoma stranami. Tento teplotný rozdiel umožňuje generovanie elektrickej energie pomocou Seebeckovho termoelektrického javu.
Elektrická energia generovaná termoelektrickým meničom sa používa na napájanie elektrických zariadení. Hlavnou výhodou atómových batérií je, že poskytujú stabilný a dlhotrvajúci zdroj energie, ktorý nevyžaduje výmenu ani nabíjanie po mnoho rokov. Vzhľadom na použitie rádioaktívnych materiálov však atómové batérie nesú určité riziká a vyžadujú si špeciálne bezpečnostné opatrenia počas používania a manipulácie.
Sú jadrové batérie nebezpečné?
Vývojári tvrdia, že tieto batérie sú úplne bezpečné pre bežných ľudí. Je to vďaka premyslenému dizajnu puzdra.
Je známe, že beta žiarenie je pre telo škodlivé. V novovytvorenej jadrovej batérii je však mäkké a bude absorbované v energetickom článku.
V súčasnosti experti identifikujú niekoľko odvetví, v ktorých sa plánuje použitie ruskej jadrovej batérie A123:
- Liek.
- Vesmírny priemysel.
- Priemysel.
- Doprava.
Okrem týchto oblastí sa nové dlhodobé zdroje energie dajú využiť aj v iných.
Výhody jadrovej batérie
Zdôrazňuje sa niekoľko pozitívnych vlastností:
- Trvanlivosť. Môžu vydržať až 100 000 rokov.
- Schopnosť odolávať kritickým teplotám.
- Vďaka svojej malej veľkosti sú prenosné a vhodné na použitie v kompaktných zariadeniach.
Nevýhody jadrovej batérie
- Zložitosť výroby.
- Existuje riziko ožiarenia, najmä ak je kryt poškodený.
- Drahé. Jedna jadrová batéria môže stáť 500 000 až 4 500 000 rubľov.
- Dostupné pre obmedzený okruh ľudí.
- Malý výber.
Výskum a vývoj jadrových batérií sa nevenujú len veľkým spoločnostiam, ale aj bežným študentom. Napríklad študent v Tomsku vyvinul vlastnú jadrovú batériu, ktorá dokáže fungovať približne 12 rokov bez dobíjania. Vynález je založený na rozpade trícia. Vlastnosti tejto batérie sa časom nemenia.
Jadrová batéria pre smartfóny
Od roku 2019 sa vyrábajú jadrové zdroje energie pre telefóny. Vyzerajú ako tie, ktoré sú znázornené na obrázku nižšie.
Pripomínajú mikročip, ktorý sa vkladá do špeciálnych slotov v mobilnom telefóne. Takáto batéria vydrží 20 rokov a počas tejto doby ju nie je potrebné nabíjať. To je možné vďaka procesu jadrového štiepenia. Tento zdroj energie však môže byť pre mnohých alarmujúci. Koniec koncov, každý vie, že žiarenie je škodlivé a prospešné pre telo. A len málo ľudí by si užívalo nosenie takéhoto telefónu celý deň.
Vedci však tvrdia, že táto jadrová batéria je úplne bezpečná. Ako aktívna látka sa používa trícium. Žiarenie emitované počas jej rozpadu je neškodné. Trícium v akcii môžete vidieť na svietiacich kremenných hodinkách. Batéria znesie teploty až do -50 °C a spoľahlivo funguje pri teplotách až do 150 °C.0Zároveň neboli zaznamenané žiadne výkyvy v jeho práci.
Bolo by fajn mať takúto batériu po ruke, aspoň na to, aby ste si mohli telefón dobiť bežnou batériou.
Napätie takejto batérie kolíše medzi 0,8 a 2,4 voltami. Generuje tiež 50 až 300 nanoampérov. A to všetko sa deje počas 20 rokov.
Kapacita sa vypočíta takto: C = 0,000001 W * 50 rokov * 365 dní * 24 hodín / 2 V = 219 mA
Batéria má momentálne hodnotu 1 122 dolárov. Po prepočte na ruble podľa aktuálneho kurzu (65,42) by to bolo 73 400 rubľov.
Kde sa používajú jadrové batérie?
Rozsah použitia je prakticky rovnaký ako u bežných batérií. Používajú sa v:
- Mikroelektronika.
- Snímače tlaku a teploty.
- Implantáty.
- Ako powerbanky pre lítiové batérie.
- Identifikačné systémy.
- Hodiny.
- SRAM pamäť.
- Na napájanie procesorov s nízkou spotrebou energie, ako sú FPGA, ASIC.
Nie sú to jediné zariadenia; ich zoznam sa v budúcnosti výrazne rozšíri.
Jadrová batéria Nikel-63 a jej vlastnosti
Tento jadrový zdroj energie, založený na izotope 63, môže vydržať až 50 rokov. Funguje na princípe beta-voltového javu. Je takmer identický s fotoelektrickým javom. Pri tomto javu vznikajú elektrónovo-dierové páry v kryštálovej mriežke polovodiča pôsobením rýchlych elektrónov alebo beta častíc. Pri fotoelektrickom javu vznikajú pôsobením fotónov.
Atómová batéria Nikel-63 sa vyrába ožiarením terčov z niklu-62 v reaktore. Výskumník Gavrilov tvrdí, že tento proces trvá približne rok. Potrebné terče sú už k dispozícii v Železnogorsku.
Ak porovnáme nové ruské nikel-63 jadrové batérie s lítium-iónovými batériami, budú 30-krát menšie.
Odborníci tvrdia, že tieto zdroje energie sú pre ľudí bezpečné, pretože vyžarujú slabé beta lúče. Navyše sa neuvoľňujú zvonku, ale zostávajú vo vnútri zariadenia.
Tento zdroj energie je v súčasnosti ideálny pre lekárske kardiostimulátory. Vývojári však nezverejnili cenu. Dá sa však vypočítať aj bez nich. Jeden gram Ni-63 v súčasnosti stojí približne 4 000 dolárov. Plne funkčná batéria by si preto vyžadovala značnú investíciu.
Zloženie jadrovej batérie
Nikel-63 sa extrahuje z diamantov. Získanie tohto izotopu si však vyžadovalo vývoj novej technológie na rezanie tohto odolného diamantového materiálu.
Jadrová batéria sa skladá z emitora a kolektora oddelených špeciálnou vrstvou. Keď sa rádioaktívny prvok rozpadne, vyžaruje beta žiarenie. To má za následok jeho kladný náboj. Zároveň sa kolektor nabije záporne. To vytvára potenciálový rozdiel, ktorý generuje elektrický prúd.
V podstate je naša atómová energetická bunka vrstvený koláč. 200 zdrojov energie z niklu-63 je vložených medzi 200 diamantových polovodičov. Zdroj energie je približne 4 mm vysoký a váži 250 miligramov. Jeho malá veľkosť je hlavnou výhodou ruskej atómovej batérie.
Nájsť správne rozmery je ťažké. Hrubý izotop zabráni úniku elektrónov, ktoré produkuje. Tenký izotop je nevýhodný, pretože znižuje počet beta rozpadov za jednotku času. To isté platí pre hrúbku polovodiča. Batéria dosahuje najlepšie výsledky s hrúbkou izotopu približne 2 mikróny, zatiaľ čo diamantový polovodič vyžaduje 10 mikrónov.
Ale to, čo vedci doteraz dosiahli, nie je limit. Emisie výfukových plynov by sa mohli zvýšiť najmenej strojnásobne. To znamená, že jadrová batéria by sa mohla trikrát zlacniť.
Jadrová batéria s uhlíkom-14, ktorá vydrží 100 rokov.
Táto atómová batéria má oproti iným zdrojom radiačnej energie nasledujúce výhody:
- Lacnosť.
- Šetrné k životnému prostrediu.
- Dlhá životnosť až 100 rokov.
- Nízka toxicita.
- Bezpečnosť.
- Schopný prevádzky v extrémnych teplotných podmienkach.
Rádioaktívny izotop uhlík-14 má polčas rozpadu 5 700 rokov. Je úplne netoxický a lacný.
Nielen USA a Rusko, ale aj ďalšie krajiny aktívne pracujú na modernizácii jadrových batérií! Výskumníci sa naučili pestovať film na karbidovom substráte. Vďaka tomu sa cena substrátu znížila stonásobne. Táto štruktúra je odolná voči žiareniu, vďaka čomu je tento zdroj energie bezpečný a odolný. Použitím karbidu kremíka v jadrových batériách je možné dosiahnuť prevádzku pri teplotách 350 stupňov Celzia.
Vedcom sa tak podarilo vytvoriť atómovú batériu vlastnými rukami!
