Miniatúrna jadrová batéria sľubuje desaťročia energie bez nabíjania

Známa rutina nabíjania našich zariadení – telefónov, notebookov a dokonca aj elektromobilov – podčiarkuje základné obmedzenie súčasnej batériovej technológie: opotrebúvajú sa relatívne rýchlo a vyžadujú časté dopĺňanie energie. Táto nepohodlnosť časom prerastá do významného problému, keďže degradujúce lítium-iónové batérie sa stávajú nespoľahlivými, ich výmena je nákladná a predstavujú environmentálne výzvy od ťažby surovín až po likvidáciu.

Avšak nový typ batérie, ktorý nefunguje na báze lítia, ale malého množstva rádioaktívneho uhlíka, púta pozornosť vedeckého sveta. Táto technológia sľubuje bezpečnú, kompaktnú a čistú energiu, ktorá by mohla napájať zariadenia celé generácie bez potreby jediného nabitia, potenciálne revolučne meniaca oblasti od medicíny po vesmírny výskum. Tento vývoj tiež poukazuje na kľúčový trend v ukladaní energie: snahu o špecializované batériové riešenia prispôsobené pre úzko špecializované aplikácie, kde životnosť a spoľahlivosť prevyšujú čistý výkon.  

Výskumníci úspešne zostrojili jadrovú batériu poháňanú rádioaktívnym uhlíkom, známym aj ako uhlík-14. Tento izotop uhlíka je obzvlášť vhodný, pretože emituje iba beta častice – vysokoenergetické elektróny, ktoré možno bezpečne tieniť tenkými materiálmi, ako je hliníková fólia, a nepredstavujú významné radiačné riziko pre ľudí. Navyše, uhlík-14 je relatívne lacný a ľahko dostupný ako vedľajší produkt existujúcich jadrových elektrární, čím sa účinne transformuje zložka jadrového „odpadu“ na cenný zdroj.

^{Zdroj Foto: DGIST}

Jeho pomalá rýchlosť rozpadu znamená, že môže poskytovať stabilný, aj keď nízky, prúd energie po tisíce rokov. Potenciálne aplikácie sú: kardiostimulátory, ktoré by mohli vydržať celý život, senzory nasadené v odľahlých lesoch alebo hlbokých oceánoch fungujúce desaťročia bez údržby, a spoľahlivé napájanie pre satelity alebo citlivé medicínske implantáty. Princíp fungovania tohto zariadenia, známeho ako betavoltaická batéria, sa líši od konvenčných chemických batérií.

Využíva energiu priamo z rádioaktívneho rozpadu. Keď sa uhlík-14 rozpadá, uvoľňuje beta častice. Keď tieto častice zasiahnu polovodičový materiál, iniciujú proces, ktorý uvoľňuje elektróny, čím vzniká elektrický prúd. Tím profesora Ina tento proces výrazne zdokonalil. Namiesto toho, aby beta častice priamo zasahovali polovodič, sú najprv absorbované špeciálnym farbivom na báze ruténia. Toto farbivo, nanesené na oxid titaničitý (materiál bežný aj v solárnych paneloch), je efektívnejšie pri zachytávaní energie beta častíc.

Po absorpcii farbivo spúšťa „elektrónovú lavínu“, pričom elektróny sa rýchlo pohybujú cez farbivo do oxidu titaničitého, ktorý ich potom zhromažďuje a smeruje do obvodu.  Významný skok v účinnosti sa dosiahol vďaka šikovnému dizajnu s dvoma miestami uloženia rádioaktívneho uhlíka. Staršie betavoltaické články umiestňovali rádioaktívny uhlík iba na jednu stranu batérie (katódu), čím dosahovali účinnosť premeny energie len 0,48 %. Tím DGIST to vylepšil začlenením rádioaktívneho uhlíka na anódu aj katódu.

Táto modifikácia umožnila batérii zachytiť viac beta lúčov a znížila straty energie, čím sa účinnosť zvýšila na 2,86 % a dosiahla sa hustota výkonu 20,75 nanowattov na centimeter štvorcový na milicurie žiarenia. Hoci je táto hustota výkonu nízka pre bežnú elektroniku, pre dlhotrvajúce zariadenia s nízkou spotrebou ide o významný prielom. Ďalšie vylepšenia, ako napríklad ošetrenie oxidu titaničitého kyselinou citrónovou na zlepšenie jeho väzby s ruténiovým farbivom, tiež prispeli k zvýšeniu stability a efektívnejšiemu prenosu energie.

Tento mnohostranný prístup, kombinujúci materiálovú vedu, konštrukciu zariadení a povrchovú chémiu, ilustruje komplexnú cestu k dosiahnutiu takýchto ziskov v účinnosti.  Napriek týmto pokrokom pretrvávajú výzvy. Účinnosť 2,86 % znamená, že iba malá časť energie z rozpadu sa premieňa na elektrickú energiu, čo je ďaleko pod úrovňou konvenčných batérií. Tím plánuje optimalizovať tvar žiaričov rádioaktívneho uhlíka a vyvinúť materiály, ktoré ešte efektívnejšie absorbujú beta častice, aby sa zvýšil výkon.

Keďže verejná mienka o jadrovej energii sa postupne mení a rastie uznanie jej potenciálu pre čistú a bezpečnú energiu tvárou v tvár klimatickým zmenám, technológie ako betavoltaika – ktoré nepoužívajú nebezpečné reaktorové palivo a nemôžu spôsobiť roztavenie jadra – ponúkajú tichý a spoľahlivý zdroj energie pre budúcnosť, ktorá si vyžaduje prepojenejšie a menej odpadové riešenia.  

Zdroj: hebrighterside.news.

^{Zdroj Foto: Su-Il In}