Atombatteriet

Det typiska framtidsteknikscenariot kräver miljontals lågeffekts radiofrekvensenheter utspridda i vår miljö – från sensorsystem på fabriken till medicinska implantat till smarta enheter för slagfält.

På grund av den korta och oförutsägbara livslängden för kemiska batterier skulle dock regelbundna byten krävas för att hålla dessa enheter surrande. Bränsleceller och solceller kräver lite underhåll, men de förra är för dyra för så blygsamma, lågeffektapplikationer, och de senare behöver mycket sol.

Ett tredje alternativ kan dock ge ett kraftfullt – och säkert – alternativ. Det kallas Direct Energy Conversion (DEC) Cell, ett betavoltaikbaserat kärnkraftsbatteri som kan köras i över ett decennium på de elektroner som genereras av det naturliga sönderfallet av den radioaktiva isotopen tritium. Det är utvecklat av forskare vid University of Rochester och en startup, BetaBatt, i ett projekt som beskrivs i 13 maj-numret av Advanced Materials och delvis finansierat av National Science Foundation.

Eftersom tritiums halveringstid är 12,3 år (den tid då hälften av dess radioaktiva energi har släppts ut), skulle DEC-cellen kunna ge ett decenniums kraft för många applikationer. Det är klart att det skulle vara en ekonomisk välsignelse – särskilt för tillämpningar där det är mycket obekvämt att byta batterier, som i medicin- och olje- och gruvindustrin, som ofta placerar sensorer på farliga eller svåråtkomliga platser.

En av våra huvudmarknader är för avlägsna, mycket svåra att ersätta sensorer, säger Larry Gadeken, chefsuppfinnare och VD för BetaBatt. Du kan placera detta [batteri] en gång och lämna det ifred.

Betavoltaiska enheter använder radioisotoper som avger relativt ofarliga beta-partiklar, snarare än farligare gammafotoner. De har faktiskt testats i labb i 50 år - men de genererar så lite kraft att en större kommersiell roll för dem ännu inte har hittats. Hittills har tritiumdrivna betavoltaik, som kräver minimal avskärmning och inte kan penetrera mänsklig hud, använts för att tända utgångsskyltar och glödande klockor. En kommersiell version av DEC Cell kommer sannolikt inte att ha tillräckligt med juice för att driva en mobiltelefon – men mycket för en sensor eller pacemaker.

Nyckeln till att göra DEC-cellen mer livskraftig är att öka effektiviteten med vilken den skapar kraft. Tidigare har betavoltaikforskare använt en design som liknar en solcell: en platt skiva är belagd med ett diodmaterial som skapar elektrisk ström när den bombarderas av emitterade elektroner. Men alla utom elektronpartiklarna som skjuter ner mot dioderna går förlorade i den designen, säger University of Rochester professor i el- och datorteknik Phillipe Fauchet, som utvecklade den mer effektiva designen baserat på Gadekens koncept.

Lösningen var att exponera mer av den reaktiva ytan för partiklarna genom att skapa en porös kiseldiodskiva beströdd med en mikron breda, 40 mikron djupa gropar. När den radioaktiva gasen upptar dessa gropar, skapar det maximala möjligheter att utnyttja reaktionen.

Lika viktigt är att processen är lätt reproducerbar och billig, säger Fauchet – en nödvändighet om DEC-cellen ska vara kommersiellt gångbar.

Tillverkningsteknikerna kan vara överkomliga, men själva tritiumet – en biprodukt av kärnkraftsproduktion – är fortfarande dyrare än litiumet i ditt mobiltelefonbatteri. Kostnaden är dock mindre av ett problem för enheter som är utformade specifikt för att samla in svåråtkomlig data.

Kostnaden är bara en anledning till att Gadeken säger att han inte kommer att ägna sig åt den batterihungriga konsumentelektronikmarknaden. Andra frågor inkluderar de reglerande och marknadsföringshinder som orsakas av att driva massmarknadsenheter med radioaktiva material och den stora batteristorlek som skulle krävas för att generera tillräckligt med ström. Ändå, säger han, kan tekniken en dag användas som en underhållsladdningsenhet för litiumjonbatterier.

Istället riktar hans företag sig mot marknadssektorer som behöver långvarig batterikraft och som har en bekväm förtrogenhet med kärnmaterial.

Vi riktar in oss på applikationer som medicinsk teknik, som redan använder radioaktivitet, säger Gadeken.

Till exempel fortsätter många implantatpatienter att överleva sina batterier och kräver kostsamma och riskfyllda ersättningsoperationer.

Så småningom hoppas Gadeken kunna tjäna NASA också, om företaget kan hitta ett sätt att utvinna tillräckligt med energi från tritium för att driva ett rymdfartsobjekt. Rymdorganisationer är intresserade av säkrare och lättare kraftkällor än de plutoniumdrivna Radioisotope Thermal Generators (RTG) som används i robotuppdrag, som till exempel Voyager, som har en RTG-kraftkälla som är avsedd att fungera till omkring 2020.

Dessutom skulle en betavoltaisk kraftkälla sannolikt lindra miljöproblem, som de som uttrycktes vid lanseringen av Cassini-satellituppdraget till Saturnus, när demonstranter fruktade att en explosion skulle kunna leda till nedfall över Florida.

Än så länge hoppas Gadeken dock kunna intressera det medicinska området och en mängd olika nischmarknader inom undervattens-, underjords- och polära sensorapplikationer, med fokus på oljeindustrin.

Och nästa steg är att anpassa tekniken för användning i mycket små batterier som kan driva mikroelektro-mekaniska system (MEMS)-enheter, som de som används i optiska omkopplare eller de fritt svävande smarta dammsensorerna som utvecklas av militären.

Faktum är att en annan betavoltaikenhet, under utveckling vid Cornell University, också riktar sig till MEMS-kraftmarknaden. Den radioisotopdrivna piezoelektriska generatorn, som kommer i prototypform om några år, kommer att kombinera en betavoltaisk cell med en tritiumdriven elektromekanisk fribärande enhet som först demonstrerades 2002.

Amit Lal, en av Cornell-forskarna, ger både beröm och försiktig skepsis mot DEC-cellen. Även om han är imponerad av effektuttaget från DEC-cellen, sa han att det fortfarande finns problem med strömläckage. För att undvika dessa potentiella läckageproblem använder Cornell en något större waferdesign. De planerar också att gå över till en porös design och antingen fast eller flytande tritium för att förbättra effektiviteten.

Lal noterar också att marknaden för antingen Cornells enhet eller DEC Cell kan pressas av nyare litiumbatterier som håller längre. Ändå finns det en nisch för mycket små enheter, tror han, särskilt de som måste fungera längre än tio år.

Dölj