Az elektronikai iparban az akkumulátortechnológia mindenhol jelen van. Azonban gyakran jelentős teljesítménycsökkenéssel jár, és gyakori újratöltést igényel. Ez különösen problémás lehet a helytakarékos eszközök esetében. Ezenkívül a hagyományos akkumulátor megoldások, amelyek nem megújuló energiaforrásokra támaszkodnak, nem felelnek meg számos iparág fenntarthatósági céljainak.
A gyártók aktívan keresik a hagyományos akkumulátorok alternatíváját. Válaszul a kutatók atomenergia-akkumulátorokat fejlesztenek. Ezek az akkumulátorok egyedi előnyt kínálnak: akár több éven át is működhetnek újratöltés nélkül, ami különösen vonzó megoldást jelent a kihívást jelentő környezetekben. A legújabb fejlesztések lehetővé tették, hogy mobil eszközökben és orvosi szenzorokban is használhatók legyenek.
Ez a cikk bemutatja a háromféle radioaktív részecskét. Továbbá tárgyalja a betavoltaikus nukleáris akkumulátor részleteit, amely a nem-termikus átalakító atomakkumulátorok egy része. Végül bemutatunk egy példát egy ilyen technológiára, amelyet egy kínai startup, a Betavolt fejlesztett ki, és amely azt állítja, hogy akkumulátora 50 évig képes áramot termelni újratöltés nélkül.
Az atomenergia-akkumulátorok alapjai
Háromféle radioaktív részecske létezik:
- Alfa részecskék: két protonból és két neutronból állnak, és tömegük és töltésük miatt viszonylag alacsony áthatolóképességgel rendelkeznek. Azonban rendkívül veszélyesek lehetnek, mert biológiai károsodást okozhatnak az élő sejtekben.
- Béta részecskék: nagy energiájú, nagy sebességű elektronok, amelyeket bizonyos radioaktív magok, mint például a stroncium-90 vagy a nikkel-63 bocsátanak ki. Számos orvosi alkalmazásban használják őket. A béta-kibocsátó izotópok közvetlenül is képesek áramot generálni a betavoltaikus hatás révén.
- Gamma sugarak: nagy energiájú, magas frekvenciájú elektromágneses sugárzások, amelyeket szintén orvosi diagnosztikában használnak.
De ebben a cikkben a nem-termikus átalakító atomakkumulátorokra, azaz a betavoltaikus nukleáris akkumulátorokra fókuszálunk. Az RCA először az 1950-es években mutatta be, és gyakran használják alacsony fogyasztású elektronikában folyamatos működéshez. A betavoltaikus nukleáris akkumulátorok egyik előnye, hogy költséghatékonyak és megbízhatóak.
Az ábra egy másik lényeges komponenst is kiemel: a p-típusú és n-típusú félvezetőt. A p-típusú és n-típusú anyagok között található kiürülési régió mentes a töltéshordozóktól, mivel az elektronok és lyukak rekombinációja történt meg. Ez a régió szigetelőként működik, amíg a béta részecskék aktiválják, amelyek elektron-lyuk párokat generálnak.
A betavoltaikus működés fő mechanizmusa az, hogy a béta részecskék az izotópokból belépnek a félvezetőbe, és ütköznek annak atomjaival, elektron-lyuk párokat létrehozva. Ezeket a párokat a kiürülési régió elektromos mezője választja szét, az elektronok az n-típusú anyag felé, a lyukak pedig a p-típusú anyag felé mozognak. Ezeknek a töltéshordozóknak a mozgása az adott oldalak felé áramot hoz létre, amelyet egy terhelő eszköz működtetésére lehet használni.
Betavolt BV100: nukleáris akkumulátor tömegtermelésre
A kínai startup, a Betavolt kifejlesztett olyan nukleáris akkumulátorokat, amelyek hosszú időn keresztül, akár 50 évig is stabil elektromos kimenetet biztosítanak újratöltés nélkül. A tervezés során nikkel-63 radioaktív izotópokat és egykristályos gyémánt félvezetőt használnak. Az akkumulátorok moduláris felépítése lehetővé teszi a méretezhetőséget és a testreszabhatóságot, alkalmazkodva a különböző eszközök specifikus energiaigényeihez.
A tervezés azt mutatja, hogy a félvezető mindössze 10 µ vastag, míg a radioaktív forrás egy 2 µ vastag nikkel-63 lap. A radioaktív izotóp két gyémánt félvezető réteg közé van beágyazva. Ezek a modulok sorosan vagy párhuzamosan csatlakoztathatók, hogy különböző méretű és kapacitású akkumulátorokat hozzanak létre.
A vállalat azt állítja, hogy a BV100 nukleáris akkumulátor 100 µW teljesítményt biztosít 3 V feszültségen. Az akkumulátor napi 8,64 J-t, vagyis évente körülbelül 3,153 J-t képes termelni. A Betavolt tervezi, hogy jövőre kifejleszt egy 1 W teljesítményű akkumulátort, ami azt jelzi, hogy képesek lesznek növelni a technológia potenciálját.
A Betavolt továbbá hangsúlyozza azon tervét, hogy folytassa az atomenergia-akkumulátorok fejlesztését különböző izotópok, például stroncium-90, prometium-147 és deutérium felhasználásával. A vállalat Pekingben szabadalmaztatta ezt a technológiát.
„A Betavolt atomenergia-akkumulátorának magja a negyedik generációs gyémánt félvezető, amely a végső félvezető anyag, jól ismert az iparban, és egy másik magaslat a globális félvezetőipar technológiai versenyében” – mondta Zhang Wei, a Betavolt elnöke és vezérigazgatója. „A hatékony gyémánt átalakítók kulcsfontosságúak a nukleáris akkumulátorok gyártásához.”