Πρωτότυπη πυρηνική μπαταρία έχει 10 φορές περισσότερη ισχύ – υποστηρίζουν οι επιστήμονες [μέρος δεύτερο – το πρωτότυπο]

Μπορείτε να διαβάσετε το πρώτο μέρος και να επιστρέψετε.

Οι πηγές βηταβολταϊκής ισχύος δεν θα έπρεπε να μπερδεύονται με τις θερμοηλεκτρικές γεννήτριες ραδιοϊσοτόπων ή RTGs, που επίσης αποκαλούνται πυρηνικές μπαταρίες αλλά λειτουργούν με διαφορετική αρχή. Οι θερμοηλεκτρικές κυψέλες μετατρέπουν τη θερμότητα που απελευθερώνεται από τη ραδιενεργό διάσπαση σε ηλεκτρισμό χρησιμοποιώντας θερμοζεύγη. Η απόδοση των RTGs είναι μόνο μερικά ποσοστά επί τοις εκατό και εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Όμως λόγω της μακροβιότητάς τους και του σχετικά απλού σχεδιασμού, οι πηγές θερμοηλεκτρικής ισχύος χρησιμοποιούνται ευρέως για την παραγωγή ισχύος σε διαστημικά οχήματα όπως ο διαπλανητικός διαστημικός ερευνητής New Horizons και το rover Curiosity στον Άρη. Οι RTGs χρησιμοποιούνταν προηγουμένως σε μη επανδρωμένες απομακρυσμένες εγκαταστάσεις όπως φάροι και αυτόματοι μετεωρολογικοί σταθμοί. Ωστόσο, η πρακτική αυτή εγκαταλείφτηκε, επειδή χρησιμοποιούσε ραδιενεργά καύσιμα που ήταν δύσκολο να ανακυκλωθούν και διέρρεαν στο περιβάλλον.

Δέκα φορές περισσότερη ισχύς
Μια ερευνητική ομάδα υπό την επίβλεψη του Vladimir Blank, διευθυντή του TISNCM και προέδρου της φυσικής και χημείας νανοδομής στο MIPT, επανήλθε με έναν τρόπο για να αυξήσει την πυκνότητα ισχύος της πυρηνικής μπαταρία περίπου δέκα φορές. Οι φυσικοί ανέπτυξαν και κατασκεύασαν μια βηταβολταϊκή μπαταρία χρησιμοποιώντας νικέλιο-63 ως πηγή ακτινοβολίας και διόδους διαμαντιών με βάση το φράγμα Schottky για ενεργειακή μετατροπή. Η πρωτότυπη μπαταρία πέτυχε μια παραγωγή ισχύος περίπου 1 μικροβάτ, ενώ η πυκνότητα ισχύος ανά κυβικό εκατοστό ήταν 10 μικροβάτ, που είναι αρκετά για ένα σύγχρονο τεχνητό βηματοδότη. Το Νικέλιο-63 έχει χρόνο ημιζωής 100 έτη, έτσι η μπαταρία φέρει περίπου 3300 μιλιβατώρες ισχύος ανά γραμμάριο – 10 φορές περισσότερο από τα ηλεκτροχημικά κύτταρα.

Εικόνα 1: Σχέδιο πυρηνικής μπαταρίας (Credit: V. Bormashov et al./Diamond and Related Materials)

Η πρωτότυπη πυρηνική μπαταρία συνίσταται από 200 μετατροπείς διαμαντιού διαχωριζόμενους με στρώματα νικέλιου-63 και σταθερού νικελίου (εικόνα 1). Το ποσό της ισχύος που παράγεται από τον μετατροπέα εξαρτάται από το πάχος του φύλλου νικελίου και του ίδιου του μετατροπέα, επειδή και τα δυο επηρεάζουν πόσα βήτα σωμάτια απορροφούνται. Τα επί του παρόντος διαθέσιμα πρωτότυπα των πυρηνικών μπαταριών είναι φτωχά βελτιστοποιημένα, καθώς έχουν υπερβολικό όγκο. Αν η πηγή της βήτα ακτινοβολίας είναι πολύ λεπτή, τα ηλεκτρόνια που εκπέμπει δεν μπορούν να διαφύγουν. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως αυτο-απορρόφηση. Ωστόσο, καθώς η πηγή κατασκευάζεται λεπτότερη, ο αριθμός των ατόμων που υφίστανται βήτα διάσπαση ανά μονάδα χρόνου μειώνεται αναλογικά. Παρόμοιος συλλογισμός εφαρμόζεται για το πάχος του μετατροπέα.

Φωτογραφία – Το πρωτότυπο της πυρηνικής μπαταρίας (Technological Institute for Superhard and Novel Carbon Materials)

Πρώτα οι υπολογισμοί
Ο στόχος των ερευνητών ήταν να μεγιστοποιήσουν την πυκνότητα ισχύος της νικελίου-63 μπαταρίας τους. Για να το κάνουν αυτό, προσομοίωσαν αριθμητικά τη διέλευση των ηλεκτρονίων μέσω της βήτα πηγής και των μετατροπέων. Προέκυψε ότι η πηγή νικελίου-63 είναι σε αυτό περισσότερο αποδοτική όταν είναι πάχους 2 μικρομέτρων και το βέλτιστο πάχος του μετατροπέα που βασίζεται στις διόδους διαμαντιού με φράγμα Schottky είναι περίπου 10 μικρόμετρα.

Εικόνα 2: (a) Εξάρτηση της ροής ισχύος από το ραδιενεργό φύλλο νικελίου με το πάχος του. (b) Αποδοτικότητα της απορρόφησης ηλεκτρονίων στο μετατροπέα διαμαντιού σε συνάρτηση με το πάχος του. Τα δυο γραφήματα δείχνουν ότι η βέλτιστη του φύλλου νικελίου-63 και του μετατροπέα διαμαντιού είναι αντίστοιχα κοντά στα 2 και 10 μικρόμετρα. (Credit: V. Bormashov et al./Diamond and Related Materials)

Στο τρίτο και τελευταίο μέρος θα αναφερθούμε στην τεχνολογία κατασκευής, καθώς και στις προοπτικές των πυρηνικών μπαταριών.

Πηγή: Moscow Institute of Physics and Technology