211service.com
Ett 25-års batteri
Batterier som skördar energi från isotopers kärnkraftsförfall kan producera mycket låga strömnivåer och hålla i årtionden utan att behöva bytas ut. En ny version av batterierna, kallad betavoltaics, utvecklas av ett Ithaca, NY-baserat företag och testas av Lockheed Martin . Batterierna kan potentiellt driva elektriska kretsar som skyddar militära flygplan och missiler från manipulering genom att förstöra information som lagras i systemen, eller genom att skicka ut en varningssignal till ett militärcenter. Batterierna förväntas hålla i 25 år. Företaget, ringde Widetronix , arbetar också med tillverkare av medicinska enheter för att utveckla batterier som kan hålla i årtionden för implanterbara medicinska apparater.
Kärnkraft: Förpackningen inuti denna prototyp av betavoltaiskt batteri innehåller lager av kiselkarbid och metallfolie inbäddade med den radioaktiva isotopen tritium. När högenergielektroner som emitteras av tritiums sönderfall träffar kiselkarbiden, producerar den en elektrisk ström som lämnar cellen genom metallstiften. Sådana batterier är designade för att hålla i 25 år.
Widetronix batterier drivs av sönderfallet av en väteisotop som kallas tritium till högenergielektroner. Medan solceller använder halvledare som kisel för att fånga energi från fotonerna i solljus, använder betavoltaiska celler en halvledare för att fånga energin i elektroner som produceras under isotopers nukleära sönderfall. Denna typ av kärnsönderfall kallas beta-sönderfall, för de högenergielektroner, kallade beta-partiklar, som den producerar. Livslängden för betavoltaiska enheter beror på halveringstiderna, som sträcker sig från några år till 100 år, för de radioisotoper som driver dem. För att göra ett batteri som håller 25 år från tritium, som har en halveringstid på 12,3 år, laddar Widetronix paketet med dubbelt så mycket tritium som initialt krävs. Dessa enheter tål mycket tuffare förhållanden än kemiska batterier. Detta, och deras långa livslängd, är det som gör betavoltaik attraktiv som en kraftkälla för medicinska implantat och för militär fjärravkänning i extremt varma och kalla miljöer.
Begreppet betavoltaik är cirka 50 år gammalt. De första pacemakrarna använde betavoltaik baserad på det radioaktiva grundämnet prometium, men dessa betavoltaiker fasades ut när billigare litiumjonbatterier utvecklades. Tekniken håller på att dyka upp igen, säger Peter Cabauy , VD för ett annat betavoltaiskt företag, Miami-baserat City Labs , eftersom halvledande material har förbättrats så mycket. Tidiga halvledande material var inte tillräckligt effektiva för att omvandla elektroner från beta-sönderfall till en användbar ström, så de var tvungna att använda högre energi, dyrare - och potentiellt farliga - isotoper. Effektivare halvledande material kan paras ihop med relativt godartade isotoper som tritium, som producerar svag strålning.
Widetronix batterier består av en metallfolie impregnerad med tritiumisotoper och ett tunt chip av halvledarkiselkarbiden, som kan omvandla 30 procent av beta-partiklarna som träffar den till en elektrisk ström. Kiselkarbid är väldigt robust och när vi gallrar den blir den flexibel, säger Widetronix vd. Jonathan Greene . När vi staplar upp chips och folier i ett paket som är kvadratcentimeter och två tiondels centimeter högt har vi en produkt på en mikrowatt. Prototypen som testas av Lockheed Martin producerar 25 nanowatt effekt.
Betavoltaics är inte särskilt kraftfulla. De har inte nästan tillräckligt med kraft för att köra en bärbar dator eller en mobiltelefon. Men deras energitäthet är hög: de lagrar mycket energi i filmer bara mikrometer tjocka och kan tillverkas i mycket små förpackningar. Vi fokuserar på platser där du behöver en mycket lång livslängd och energitäthet, säger Greene.
En sådan plats är övervakning av militär utrustning. Allt som försvarsdepartementet lägger ut måste ha antimanipuleringsskydd så att om någon får tag i sökarhuvudet på en missil, eller ett helt flygplan, skulle det vara väldigt svårt att bakåtkonstruera det, säger Christian Adams, kemist på Lockheed Martin missiler och brandkontroll . Minneskretsen som styr sådana antimanipulationssystem, säger Adams, kräver mycket låg kontinuerlig effekt under lång tid. Militära specifikationer kräver också att dessa enheter tål extrema förhållanden som normala batterier inte kan tolerera: de måste fungera i temperaturer från -65 till 150 ˚C och tåla högfrekventa vibrationer, hög luftfuktighet och saltstötar. Om batteriet fryser eller dör ut, förlorar minneskretsen sin konfiguration, och enheten misslyckas, säger Adams.
Widetronix är först ut ur porten med något som kan testas enligt militära specifikationer, säger Adams. Lockheed fick företagets prototyper förra veckan. Om betavoltaikerna klarar testet kommer Lockheed förmodligen att ha dem i antimanipulationsprodukter om ungefär ett år, säger han. Lockheed arbetar också med företaget för att utveckla betavoltaik med högre effekt för fjärrövervakning av missiler. Att skicka ut en radiosignal för att säga att jag är frisk kräver mikrowatt effekt, säger Adams. Widetronix testar också sina batterier med medicintekniska företag Welch Allyn. Man räknar med att sälja batterierna för 500 dollar.
City Labs Cabauy säger att även om utsikterna för kärnkraftsbatterier, särskilt för medicinska implantat, kan höja ögonbrynen, är tritium säkert. Förutom beta-partikeln är andra produkter av tritiums sönderfall en antineutrino och en isotop av helium som inte är radioaktivt. En bit papper kan stoppa strålningen från tritium, säger Cabauy.
Det framtida löftet om betavoltaik kan vara i mycket billiga sensorer inbäddade i byggnader och broar där du aldrig vill byta batteri, säger Amit Lal , professor i el- och datateknik vid Cornell University. Detta skulle dock kräva att företag som Widetronix övergår till material med längre halveringstid, som nickelisotoper som håller i 100 år. Medan tritium har en halveringstid på bara 12,3 år, är en av dess främsta fördelar, förutom säkerheten, att det kan säkras billigt från kanadensiska kärnreaktorer som producerar tungt vatten som en biprodukt. Isotoper med längre halveringstid som nickel-63 måste köpas utomlands till höga priser. Sedan slutet av det kalla kriget finns det inget statligt stöd för radioisotopinfrastruktur i USA, säger Lal. Att göra batterier som håller för evigt är förmodligen en god anledning att bygga den infrastrukturen.