U ljeto2018. godine, hobi bespilotna letjelica ispustila je mali paket blizu ruba Strombolija, vulkana kod obale Sicilije koji je gotovo stalno eruptirao u prošlom stoljeću. Kao jedan od najaktivnijih vulkana na planeti, Stromboli je izvor fascinacije za geologe, ali prikupljanje podataka u blizini usisnog otvora puno je opasnosti . Tako je tim istraživača sa Univerziteta u Bristolu izgradio robota -vulkanologa i upotrebio bespilotnu letjelicu da ga prebaci na vrh vulkana, gdje je mogao pasivno nadzirati svaki njegov potres i podrhtavati sve dok ga neizbježno ne uništi erupcija. Robot je bio senzorski senzor veličine softball-a, pogonjen mikrodozama nuklearne energije iz radioaktivne baterije veličine kvadrata čokolade. Istraživači su njihovo stvaranje nazvali zmajevo jaje .

Zmajeva jaja mogu pomoći naučnicima u proučavanju nasilnih prirodnih procesa do detalja bez presedana, ali za Toma Scotta, naučnika za materijale iz Bristola, vulkani su bili samo početak. Posljednjih nekoliko godina, Scott i mala grupa suradnika razvijali su nadograđenu verziju nuklearne baterije zmajevog jaja koja može trajati tisućama godina, a da se nikada ne napuni ili zamijeni. Za razliku od baterija u većini moderne elektronike, koje generiraju električnu energiju kemijskim reakcijama, Bristolska baterija prikuplja čestice ispljunute radioaktivnim dijamantima koji se mogu napraviti od reformiranog nuklearnog otpada.

Ranije ovog mjeseca, Scott i njegov saradnik, hemičar u Bristolu po imenu Neil Fox, osnovali su kompaniju Arkenlight za komercijalizaciju njihove nuklearne dijamantske baterije. Iako je baterija veličine nokta još uvijek u fazi izrade prototipa, ona već pokazuje poboljšanja u efikasnosti i gustoći snage u odnosu na postojeće nuklearne baterije. Nakon što Scott i Arkenlight tim usavrše svoj dizajn, postavit će pilot pogon za njihovu masovnu proizvodnju. Kompanija planira prve komercijalne nuklearne baterije koje će se pojaviti na tržištu do 2024. godine – samo nemojte očekivati ​​da ćete ih pronaći u svom prijenosnom računaru.

Konvencionalne kemijske ili „galvanske“ baterije, poput litij-ionskih ćelija u pametnom telefonu ili alkalnih baterija u daljinskom upravljaču, odlično su ispunile mnogo energije za kratko vrijeme. Litijum-jonska baterija može raditi samo nekoliko sati bez punjenja, a nakon nekoliko godina izgubit će značajan dio kapaciteta punjenja. Za usporedbu, nuklearne baterije ili betanaponske ćelije dugo proizvode malu količinu energije. Ne ispuštaju dovoljno soka za napajanje pametnog telefona, ali ovisno o nuklearnom materijalu koji koriste mogu pružiti stalan dotok električne energije malim uređajima milenijumima.

„Možemo li pokrenuti električno vozilo? Odgovor je ne ”, kaže Morgan Boardman, izvršni direktor kompanije Arkenlight. Napajanje nečega što je gladno energije, kaže, znači da bi “masa akumulatora bila znatno veća od mase vozila”. Umjesto toga, kompanija razmatra aplikacije u kojima je nemoguće ili nepraktično redovito mijenjati bateriju, poput senzora na udaljenim ili opasnim lokacijama u skladištima nuklearnog otpada ili na satelitima. Boardman također vidi aplikacije koje su bliže kući, poput upotrebe nuklearnih baterija kompanije za pejsmejkere ili nosive stvari. Zamišlja budućnost u kojoj će ljudi čuvati baterije i mijenjati uređaje, a ne obrnuto. “Mijenjat ćete požarni alarm mnogo prije nego što zamijenite bateriju”, kaže Boardman.

Možda nije iznenađujuće što se mnogima ne sviđa ideja da imaju nešto radioaktivno u svojoj blizini. No, zdravstveni rizik od beta -napona uporediv je sa zdravstvenim rizikom od izlaznih znakova, koji koriste radioaktivni materijal zvan tricij da postignu svoj prepoznatljivi crveni sjaj. Za razliku od gama zraka ili drugih opasnijih vrsta zračenja, beta čestice se mogu zaustaviti na samo nekoliko milimetara zaštite. “Obično je samo zid baterije dovoljan da zaustavi bilo kakvu emisiju”, kaže Lance Hubbard, naučnik za materijale iz Nacionalne laboratorije Pacific Northwest koji nije povezan sa Arkenlight -om. “Unutrašnjost uopće nije radioaktivna, pa ih čini vrlo sigurnima za ljude.” I, dodaje, kada nuklearna baterija ostane bez energije, ona se raspada u stabilno stanje, što znači da nema ostataka nuklearnog otpada.

Prvi betanaponi pojavili su se na sceni 1970 -ih, ali do nedavno niko nije imao velike koristi od njih. U početku su se koristili u pejsmejkerima, gdje neispravna vrećica za napajanje može značiti razliku između života i smrti, sve dok ih na kraju nisu zamijenili jeftinijim litij-ionskim alternativama. Danas, širenje elektronike male snage najavljuje novu eru nuklearnih baterija. “Ovo su odlična opcija za vrlo male količine energije – govorimo o mikrovatima ili čak pikovatima”, kaže Hubbard. “Internet stvari bio je pokretač renesanse ovih izvora energije.”

Tipična betanaponska ćelija sastoji se od tankih slojeva radioaktivnog materijala nalik na foliju, smještenih između poluvodiča. Kako se nuklearni materijal prirodno raspada, on emitira visokoenergetske elektrone ili pozitrone koji se nazivaju beta čestice i koji lupaju elektrone u poluvodičkom materijalu stvarajući električnu struju. U tom smislu, nuklearna baterija je slična solarnoj ploči, samo što njeni poluvodiči upijaju beta čestice, a ne fotone.

I poput solarnih panela, postoji teško ograničenje koliko se energije može izvući iz nuklearne baterije. Njihova gustoća snage opada dalje što je radioaktivni izvor od poluvodiča. Dakle, ako su slojevi baterije deblji od nekoliko mikrona, snaga će se smanjiti. Štoviše, beta čestice nasumično se emitiraju u svim smjerovima, što znači da će samo dio njih zapravo udariti u poluvodič, a samo dio njih će se pretvoriti u električnu energiju. Što se tiče radijacije koju nuklearna baterija može pretvoriti u električnu energiju, Hubbard kaže da je “efikasnost od oko 7 posto najnovija tehnologija”.

To je daleko od teoretske maksimalne efikasnosti nuklearnih baterija, koja iznosi oko 37 posto. Ali tu bi radioaktivni izotop zvan ugljik-14 mogao pomoći. Najpoznatiji po svojoj ulozi u radiokarbonskom datiranju, koje arheolozima omogućuje procjenu starosti drevnih artefakata, može dati poticaj nuklearnim baterijama jer može funkcionirati i kao radioaktivni izvor i kao poluvodič. Također ima vrijeme poluraspada od 5.700 godina, što znači da bi nuklearna baterija ugljik-14 u principu mogla napajati elektronički uređaj duže nego što su ljudi imali pisani jezik.

Scott i njegove kolege iz Bristola uzgajaju umjetne dijamante ugljika-14 krvarenjem metana u vodikovu plazmu u posebnom reaktoru. Dok se plinovi ioniziraju, metan se raspada i ugljik-14 se skuplja na podlozi u reaktoru i počinje rasti u dijamantskoj rešetki. Ali umjesto da koriste ovaj radioaktivni dijamant u konvencionalnoj konfiguraciji „sendvič“ baterije, gdje su nuklearni izvor i poluvodič diskretni slojevi, Scott i njegove kolege patentirali su metodu za ubrizgavanje ugljika-14 izravno u dijamant iz laboratorije iz vanilije, sličan šta bi se našlo na prstenu. Rezultat je kristalni dijamant bešavne strukture, koji minimizira udaljenost koju beta čestice moraju preći i maksimizira učinkovitost nuklearne baterije.

“Do sada je radioaktivni izvor uvijek bio diskretan od diode koja ga prima i pretvara u električnu energiju”, kaže Boardman. “Ovo je revolucionarno.”

Ugljik-14 prirodno se stvara kada kozmičke zrake udaraju u atome dušika u atmosferi, ali se proizvodi i kao nusprodukt u grafitnim blokovima koji sadrže upravljačke šipke za nuklearni reaktor. Ovi blokovi na kraju završe kao nuklearni otpad, a Boardman kaže da samo u Velikoj Britaniji postoji gotovo 100.000 tona ovog ozračenog grafita. Britansko tijelo za atomsku energiju nedavno je iz 35 tona ozračenih blokova grafita izvadilo tritij, još jedan radioaktivni izotop koji se koristi u nuklearnim baterijama, a tim Arkenlight radi s agencijom na razvoju sličnog procesa za oporavak ugljika-14 iz grafitnih blokova.

Ako Arkenlight uspije, osigurao bi gotovo neiscrpnu zalihu sirovina za stvaranje nuklearnih baterija. Britanska AEA procjenjuje da bi manje od 100 kilograma ugljika-14 bilo dovoljno za milijune nuklearnih baterija. Štoviše, uklanjanjem radioaktivnog ugljika-14 iz grafitnih blokova, prešlo bi se s nuklearnog otpada na visoku razinu na nuklearni otpad niske razine, što ih čini lakšim i sigurnijim za rukovanje za dugotrajno skladištenje.

Arkenlight još nije napravio beta -naponsku ćeliju koja koristi reformirani nuklearni otpad, a Boardman kaže da njegova nuklearna dijamantna baterija ima još nekoliko godina usavršavanja u laboratoriju prije nego što bude spremna za izlazak na ulice. No, tehnologija već privlači interes svemirske i nuklearne industrije. Boardman kaže da je Arkenlight nedavno dobio ugovor od Evropske svemirske agencije za razvoj dijamantskih baterija za, kako je rekao, “satelitske RFID oznake”, koje bi slale slab radio signal za identifikaciju satelita hiljadama godina. I njihova vizija se ne zaustavlja na nuklearnim baterijama. Arkenlight je također u procesu razvoja gama -naponskih ćelija, koje bi upijale gama zrake koje emitiraju skladišta nuklearnog otpada i koristile ih za proizvodnju električne energije.

Arkenlight nije jedina grupa koja radi na nuklearnim baterijama. Američke kompanije poput City Labs i Widetronix decenijama su razvijale komercijalne betanaponske ćelije. Ove kompanije fokusirane su na konvencionalnije slojevite nuklearne baterije koje za svoj nuklearni izvor energije koriste tricij, a ne dijamante ugljik-14.

Michael Spencer, elektroinženjer sa Sveučilišta Cornell i suosnivač Widetronixa, kaže da se radioaktivni materijal mora izabrati imajući u vidu njegovu primjenu. Na primjer, ugljik-14 izbacuje manje beta čestica od tricija, ali ima vrijeme poluraspada koje je 500 puta duže. To je sjajno ako vam treba nešto da traje vječno, ali to također znači da nuklearne baterije s ugljikom-14 moraju biti znatno veće od tricij baterija kako bi dale istu količinu energije. „Izbor izotopa predstavlja mnogo kompromisa“, kaže Spencer.

Ako je nuklearna baterija nekad bila rubna tehnologija, čini se da je spremna probiti se u mainstream. Ne moramo nužno – ili želimo – da sva naša elektronika traje hiljadama godina. Ali kad to učinimo, imat ćemo bateriju koja će stalno raditi … i ići i ići i ići.