Kärnkraftsbatterier
Så långt tillbaka som på 1950-talet ansågs betavoltaik – en teknik för att utvinna energin från betastrålning – av forskare vara grunden för att skapa nya energikällor i framtiden. Idag finns det verkliga skäl att med tillförsikt hävda att användningen av kontrollerade kärnreaktioner är i sig självt säker. Dussintals kärntekniker används redan av människor i vardagen, till exempel radioisotoprökdetektorer.
Så i mars 2014 reproducerade forskarna Jae Kwon och Bek Kim från University of Missouri, Columbia, USA världens första fungerande prototyp av en kompakt kraftkälla baserad på strontium-90 och vatten. I det här fallet är vattnets roll en energibuffert, vilket kommer att förklaras nedan.
Kärnbatteriet kommer att fungera i flera år utan underhåll och kommer att kunna producera elektricitet på grund av nedbrytningen av vattenmolekyler när de interagerar med beta-partiklar och andra sönderfallsprodukter av radioaktivt strontium-90.
Kraften hos ett sådant batteri bör vara fullt tillräcklig för att driva elfordon och till och med rymdskepp.Hemligheten med den nya produkten ligger i kombinationen av betavoltaik och en ganska ny fysiktrend - plasmonresonatorer.
Plasmoner har använts aktivt under de senaste åren i utvecklingen av specifika optiska enheter, inklusive ultraeffektiva solceller, helt platta linser och speciella tryckfärger med en upplösning som är många gånger högre än känsligheten hos våra ögon. Plasmoniska resonatorer är speciella strukturer som kan både absorbera och sända ut energi i form av ljusvågor och i form av andra former av elektromagnetisk strålning.
Idag finns det redan radioisotopenergikällor som omvandlar energin från atomernas sönderfall till elektricitet, men detta sker inte direkt, utan genom en kedja av mellanliggande fysiska interaktioner.
Först värmer tabletterna med radioaktiva ämnen upp kroppen på behållaren de befinner sig i, sedan omvandlas denna värme till elektricitet med hjälp av termoelement.
En enorm mängd energi går förlorad vid varje steg av omvandlingen; av detta överstiger inte verkningsgraden för sådana radioisotopbatterier 7 %. Betavoltica har länge inte använts i praktiken på grund av den mycket snabba förstörelsen av batteridelar genom strålning.
Forskning har visat att dessa sönderfallna delar av vattenmolekyler kan användas för att direkt utvinna energin de absorberar till följd av kollisioner med beta-partiklar.
För att vattenkärnbatteriet ska fungera behövs en speciell struktur av hundratals mikroskopiska kolonner av titanoxid täckta med en platinafilm, liknande formen som en kam. I dess tänder och på ytan av platinaskalet finns det många mikroporer genom vilka de angivna produkterna av vattennedbrytning kan tränga in i enheten. Så under batteriets drift sker ett antal kemiska reaktioner i "kammen" - nedbrytningen och bildandet av vattenmolekyler sker, medan fria elektroner uppstår och fångas.
Den energi som frigörs under alla dessa reaktioner absorberas av "nålarna" och omvandlas till elektricitet. På grund av de plasmoner som uppträder på pelarnas yta och har speciella fysikaliska egenskaper, når ett sådant vattenkärnbatteri sin maximala effektivitet, som kan vara 54%, vilket är nästan tio gånger högre än klassiska radioisotopströmkällor.
Den joniska lösningen som används här är mycket svår att frysa även vid tillräckligt låga omgivningstemperaturer, vilket gör det möjligt att använda batterier tillverkade med den nya tekniken för att driva elfordon och, om rätt förpackade, även i rymdfarkoster för olika ändamål.
Halveringstiden för radioaktivt strontium-90 är cirka 28 år, så Kwon och Kims kärnbatteri kan fungera utan betydande energiförluster i flera decennier, med en effektminskning på endast 2 % per år.Forskare säger att sådana parametrar öppnar ett tydligt perspektiv för elfordonens allestädes närvarande.