Πρωτότυπη πυρηνική μπαταρία έχει 10 φορές περισσότερη ισχύ – υποστηρίζουν οι επιστήμονες [μέρος τρίτο – η τεχνολογία και οι προοπτικές]

Μπορείτε να διαβάσετε το προηγούμενο μέρος ή ακόμη και το πρώτο μέρος και να επιστρέψετε.

Η τεχνολογία της κατασκευής
Η κύρια τεχνολογική πρόκληση ήταν η κατασκευή ενός μεγάλου αριθμού διαμαντένιων κυψελών μετατροπής με σύνθετη εσωτερική δομή. Κάθε μετατροπέας ήταν μόνο δεκάδες μικρόμετρα λεπτός, όπως μια πλαστική τσάντα σουπερμάρκετ. Οι συμβατικές μηχανικές και ιοντικές τεχνικές λέπτυνσης διαμαντιού δεν ήταν κατάλληλες για την εργασία αυτή. Οι ερευνητές από το TISNCM (Technological Institute for Superhard and Novel Carbon Materials) και το MIPT (Moscow Institute of Physics and Technology) ανέπτυξαν μια μοναδική τεχνολογία για να συνθέσουν λεπτές πλακέτες διαμαντιού σε ένα διαμαντένιο υπόστρωμα και να τα χωρίσουν για τη μαζική παραγωγή υπέρλεπτων μετατροπέων.

Η ομάδα χρησιμοποίησε 20 λεπτές διαμαντένιες κρυσταλλικές πλακέτες με πρόσμιξη βόριο, ως υπόστρωμα. Αναπτύχθηκαν με χρήση τεχνικής θερμοκρασιακής διαβάθμισης κάτω από υψηλή πίεση. Η εμφύτευση ιόντος χρησιμοποιήθηκε για να δημιουργηθεί ένα 100 νανομέτρων λεπτό ελαττωματικό, «χαλασμένο» στρώμα στο υπόστρωμα σε βάθος περίπου 700 νανομέτρων. Χρησιμοποιώντας χημική απόθεση ατμών, αναπτύχθηκε στο επάνω μέρος αυτού του στρώματος ένα φιλμ διαμαντιού με
πρόσμιξη βόριο, πάχους 15 μικρομέτρων. Μετά, το υπόστρωμα υπεβλήθη σε ανόπτηση υψηλής θερμοκρασίας για να επάγει γραφιτοποίηση του θαμμένου ελαττωματικού στρώματος και να ανακτήσει το πάνω μέρος του διαμαντένιου στρώματος. Για την απομάκρυνση του ελαττωματικού στρώματος χρησιμοποιήθηκε ηλεκτροχημική εγχάραξη. Μετά από τον διαχωρισμό του ελαττωματικού στρώματος με χαρακτική, στον μισοτελειωμένο μετατροπέα προσαρμόστηκαν ωμικές επαφές και επαφές
Schottky.

Καθώς οι παραπάνω αναφερόμενες διεργασίες επαναλαμβάνονταν, η απώλεια του πάχους του υποστρώματος ανήλθε σε όχι περισσότερο από 1 μικρόμετρο ανά κύκλο. Αναπτύχθηκε ένας ολικός αριθμός 200 μετατροπέων σε 20 υποστρώματα. Αυτή η νέα τεχνολογία είναι σημαντική από οικονομική άποψη, επειδή τα υψηλής ποιότητας υποστρώματα διαμαντιού είναι πολύ ακριβά και συνεπώς δεν είναι εφικτή η μαζική παραγωγή των μετατροπέων από ένα υπόστρωμα που λεπταίνει. Όλοι οι μετατροπείς συνδέθηκαν παράλληλα σε μια στοίβα όπως φαίνεται στην εικόνα 1 στο προηγούμενο μέρος. Η τεχνολογία για τα επανωτά 2 μικρομέτρων πάχους φύλλα νικελίου αναπτύχθηκε στο Ινστιτούτο Έρευνας LUCH. Η μπαταρία σφραγίστηκε με εποξειδική ρητίνη.

Το πρωτότυπο της μπαταρίας χαρακτηρίζεται από το γράφημα ρεύματος-διαφοράς δυναμικού που φαίνεται στην εικόνα 3a. Η διαφορά δυναμικού ανοικτού κυκλώματος και το ρεύμα βραχυκυκλώματος είναι αντίστοιχα 1,02 V και 1,27 μA. Η μέγιστη ισχύς εξόδου των 0,93 μW λαμβάνεται στα 0,92 V. Αυτή η ισχύς εξόδου ανταποκρίνεται σε μια ειδική ισχύ των περίπου 3300 mW-h/g, που είναι 10 φορές περισσότερη από αυτή των εμπορικών χημικών κυψελών ή των προηγούμενων πυρηνικών μπαταριών νικελίου-63 που σχεδιάστηκαν στο TISNCM.

Εικόνα 3. (a) Εξάρτηση του ρεύματος (μαύρη γραμμή) και της ισχύος εξόδου της μπαταρίας (μπλε) με τη διαφορά δυναμικού. (b) Πυκνότητα ισχύος ως συνάρτηση της αντίστασης του ηλεκτρικού φορτίου. (Credit: V. Bormashov et al./Diamond and Related Materials)

Το 2016, Ρώσοι ερευνητές από το Πανεπιστήμιο MISIS είχαν ήδη παρουσιάσει ένα πρωτότυπο βηταβολταϊκής μπαταρίας που βασίζεται στο νικέλιο-63. Άλλο ένα λειτουργικό πρωτότυπο, που δημιουργήθηκε στα TISNCM και LUCH επιδείχθηκε στην Atomexpo 2017. Είχε έναν ωφέλιμο όγκο 1,5 κυβικών εκατοστών. Το κύριο εμπόδιο στην εμπορευματοποίηση των πυρηνικών μπαταριών στη Ρωσία είναι η έλλειψη παραγωγής νικελίου-63 και εγκαταστάσεων εμπλουτισμού. Ωστόσο, υπάρχουν σχέδια να εκτοξευθεί η παραγωγή νικελίου-63 σε βιομηχανική κλίμακα έως τα μέσα της δεκαετίας του 2020.

Υπάρχει ένα εναλλακτικό ραδιοϊσότοπο γα χρήση στις πυρηνικές μπαταρίες: Οι μετατροπείς διαμαντιού θα μπορούσαν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας ραδιενεργό άνθρακα-14, που έχει έναν εξαιρετικά μεγάλο χρόνο ημιζωής των 5700 ετών. Εργασία πάνω σε τέτοιες γεννήτριες είχε αναφερθεί νωρίτερα από φυσικούς στο Πανεπιστήμιο του Bristol.

Πυρηνικές μπαταρίες: Προοπτικές
Η εργασία που αναφέρεται στην ιστορία αυτή έχει προοπτικές για ιατρικές εφαρμογές. Οι περισσότεροι υπερσύγχρονοι καρδιακοί βηματοδότες είναι πάνω από 10 κυβικά εκατοστά σε μέγεθος και απαιτούν περίπου 10 μW ισχύ. Αυτό σημαίνει ότι η νέα πυρηνική μπαταρία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να τροφοδοτήσει αυτές τις συσκευές χωρίς σημαντικές αλλαγές στο σχεδιασμό και στο μέγεθός τους. Οι «αιώνιοι βηματοδότες» των οποίων οι μπαταρίες δεν χρειάζεται να αντικατασταθούν ή να συντηρηθούν θα βελτίωναν την ποιότητα της ζωής των ασθενών.

Η διαστημική βιομηχανία θα είχε επίσης τεράστια οφέλη από τις συμπαγείς πυρηνικές μπαταρίες. Συγκεκριμένα, υπάρχει ζήτηση για αυτόνομους ασύρματους εξωτερικούς αισθητήρες και τσιπ μνήμης με ολοκληρωμένα συστήματα τροφοδοσίας σε ισχύ για τα διαστημόπλοια. Το διαμάντι είναι ένας από τους πιο ασφαλείς στην ακτινοβολία ημιαγωγούς. Καθώς έχει επίσης ένα μεγάλο ενεργειακό χάσμα, μπορεί να λειτουργήσει σε μια ευρεία περιοχή θερμοκρασιών, πράγμα που το καθιστά το ιδανικό υλικό για πυρηνικές μπαταρίες που τροφοδοτούν διαστημικά σκάφη.

Οι ερευνητές σχεδιάζουν να συνεχίσουν την εργασία τους στις πυρηνικές μπαταρίες. Έχουν προσδιορίσει διάφορες γραμμές έρευνας που θα πρέπει να ακολουθήσουν. Πρώτα, ο εμπλουτισμός του νικελίου-63 στην ακτινοβόλο πηγή θα αύξανε ανάλογα την ισχύ της μπαταρίας. Δεύτερον, η ανάπτυξη μιας p-i-n δομής διαμαντιού με ένα ελεγχόμενο χαρακτηριστικό πρόσμιξης θα ενίσχυε τη διαφορά δυναμικού και επομένως θα μπορούσε να αυξήσει την ισχύ εξόδου της μπαταρίας τουλάχιστον κατά έναν παράγοντα τρία. Τρίτον, η βελτίωση της περιοχής της επιφάνειας του μετατροπέα θα αύξανε τον αριθμό των ατόμων νικελίου-63 σε κάθε μετατροπέα.

Ο Διευθυντής του TISNCM, Vladimir Blank, πρόεδρος επίσης της φυσικής και χημείας νανοδομής στο MIPT, σχολίασε για τη μελέτη: «Τα αποτελέσματα μέχρι τώρα είναι ήδη αρκετά αξιοσημείωτα και μπορούν να εφαρμοστούν στην ιατρική και στην τεχνολογία του διαστήματος, όμως σχεδιάζουμε να κάνουμε περισσότερα. Στα τελευταία χρόνια, το ινστιτούτο μας έχει μάλλον επιτυχία στη σύνθεση υψηλής ποιότητας διαμαντιών με πρόσμιξη, ειδικότερα αυτά με αγωγιμότητα τύπου-n. Αυτή θα μας επιτρέψει να κάνουμε τη μετάβαση από τα φράγματα Schottky σε p-i-n δομές και έτσι να πετύχουμε τρεις φορές μεγαλύτερη ισχύ μπαταρίας. Όσο υψηλότερη η πυκνότητα ισχύος της συσκευής, τόσο περισσότερες εφαρμογές θα έχει. Έχουμε ικανοποιητικές δυνατότητες για υψηλής ποιότητας σύνθεση διαμαντιού, έτσι σχεδιάζουμε να αξιοποιήσουμε τις μοναδικές ιδιότητες αυτού του υλικού για να δημιουργήσουμε νέα προστατευμένα από τη ακτινοβολία ηλεκτρονικά εξαρτήματα και να σχεδιάσουμε καινοτόμες ηλεκτρονικές και οπτικές συσκευές».

Πηγή: Moscow Institute of Physics and Technology

Περισσότερα στη δημοσίευση: High power density nuclear battery prototype based on diamond Schottky diodes. Diamond and Related Materials.