Πρωτότυπη πυρηνική μπαταρία έχει 10 φορές περισσότερη ισχύ – υποστηρίζουν οι επιστήμονες [μέρος πρώτο – βασικές γνώσεις]

Ρώσοι ερευνητές από το Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας (MIPT), το Τεχνολογικό Ινστιτούτο για Υπέρσκληρα και Καινοτόμα Υλικά Άνθρακα και το Εθνικό Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας MISIS βελτιστοποίησαν το σχεδιασμό μιας πυρηνικής μπαταρίας που παράγει ενέργεια από την β-διάσπαση του νικέλιου-63, ενός ραδιενεργού ισότοπου. Το πρωτότυπο της νέας μπαταρίας τους φορτώνει περίπου 3300 μιλιβατώρες ενέργειας ανά γραμμάριο, που είναι περισσότερο από κάθε άλλη πυρηνική μπαταρία που βασίζεται στο νικέλιο-63 και 10 φορές περισσότερο από την ειδική ενέργεια των εμπορικών χημικών κυψελών. Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Diamond and Related Materials.

Συμβατικές μπαταρίες
Οι συμβατικές μπαταρίες που τροφοδοτούν ρολόγια, παιχνίδια και άλλες συμπαγείς αυτόνομες ηλεκτρικές συσκευές χρησιμοποιούν την ενέργεια των αποκαλούμενων οξειδοαναγωγικών χημικών αντιδράσεων. Σε αυτές, ηλεκτρόνια μεταφέρονται από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο μέσω ενός ηλεκτρολύτη. Αυτό προκαλεί μια διαφορά δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων. Αν τα δυο άκρα της μπαταρίας μετά συνδέονται με ένα αγωγό, τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να ρέουν για να καταργήσουν τη διαφορά δυναμικού, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα. Οι χημικές μπαταρίες, επίσης γνωστές ως γαλβανικές κυψέλες, χαρακτηρίζονται από υψηλή πυκνότητα ισχύος – είναι ο λόγος μεταξύ της ισχύος του παραγόμενου ρεύματος και του όγκου της μπαταρίας. Ωστόσο, τα χημικά κύτταρα αποφορτίζονται σε ένα σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα, περιορίζοντας τις εφαρμογές τους σε αυτόνομες συσκευές. Ορισμένες από αυτές τις μπαταρίες, αποκαλούμενες συσσωρευτές, επαναφορτίζονται, όμως ακόμη και αυτές χρειάζεται να αντικατασταθούν για φόρτιση. Αυτό μπορεί να είναι επικίνδυνο, όπως στην περίπτωση ενός καρδιακού βηματοδότη ή ακόμη αδύνατο, εάν η μπαταρία τροφοδοτεί μια διαστημοσυσκευή.

Πυρηνικές μπαταρίες: Ιστορία
Ευτυχώς, οι χημικές αντιδράσεις είναι μόνο μια από τις δυνατές πηγές ηλεκτρικής ισχύος. Πίσω στο 1913, ο Henry Moseley έκανε την εφεύρε την πρώτη γεννήτρια ισχύος που βασίζεται σε ραδιενεργό διάσπαση. Η πυρηνική μπαταρία του συνίστατο από μια γυάλινη σφαίρα επαργυρωμένη στο εσωτερικό με εκπέμπον ράδιο που τοποθετήθηκε στο κέντρο σε ένα απομονωμένο ηλεκτρόδιο. Τα ηλεκτρόνια που παράγονταν από β-διάσπαση του ραδίου προκαλούσαν διαφορά δυναμικού μεταξύ του λεπτού στρώματος αργύρου και του κεντρικού ηλεκτροδίου. Ωστόσο, η εκτός κυκλώματος τάση της συσκευή ήταν μακράν πολύ υψηλή – δεκάδες κιλοβόλτ – και το ρεύμα ήταν πολύ χαμηλό για πρακτικές εφαρμογές.

Το 1953, ο Paul Rappaport πρότεινε τη χρήση ημιαγώγιμων υλικών για μετατροπή της ενέργειας της β-διάσπασης σε ηλεκτρισμό. Σωματίδια βήτα – ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια – εκπέμπονταν από μια ραδιενεργό πηγή ιονισμένων ατόμων του ημιαγωγού, δημιουργώντας μη αντισταθμισμένους φορείς φορτίου. Στην παρουσία του στατικού πεδίου της p-n δομής, τα φορτία ρέουν σε μια κατεύθυνση, κατά συνέπεια ηλεκτρικό ρεύμα. Μπαταρίες που τροφοδοτούνται από β-διάσπαση έγιναν γνωστές ως βηταβολταϊκές. Το κύριο πλεονέκτημα των βηταβολταϊκών κυψελών επί των γαλβανικών κυψελών είναι η μακροβιότητα: Τα ραδιενεργά ισότοπα που χρησιμοποιούνται στις πυρηνικές μπαταρίες έχουν χρόνο ημιζωής από δεκάδες μέχρι εκατοντάδες χρόνια, έτσι η παρεχόμενη ισχύς τους παραμένει περίπου σταθερή για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Δυστυχώς, η πυκνότητα ισχύος των βηταβολταϊκών κυψελών είναι σημαντικά χαμηλότερη από των γαλβανικών ομολόγων τους. Παρόλα αυτά, τα βηταβολταϊκά στην πραγματικότητα χρησιμοποιήθηκαν στη δεκαετία του 1970 για να τροφοδοτήσει καρδιακούς βηματοδότες, πριν καταργηθούν από τις φθηνότερες μπαταρίες ιόντων λιθίου, ακόμη και αν ο τελευταίες έχουν συντομότερους χρόνους ζωής.

Στη συνέχεια θα δούμε αν διαφέρουν οι πυρηνικές μπαταρίες με τις θερμοηλεκτρικές γεννήτριες ραδιοϊσοτόπων καθώς και τα νέα στοιχεία από την παρέμβαση βελτίωσης των επιστημόνων.

Πηγή: Moscow Institute of Physics and Technology