Shpikja ka të bëjë me pajisjet që konvertojnë energjinë e grimcave të emetuara nga izotopet në rrymë elektrike dhe mund të përdoren si bateri në të ndryshme pajisjet elektronike, duke konsumuar një rrymë të vogël, por të detyruar të punojë pa zëvendësuar burimet e energjisë për dhjetë vjet. Thelbi i shpikjes qëndron në faktin se një bateri bërthamore përmban një strehë të mbushur me material izotopi, ku vendoset, sipas të paktën, një detektor gjysmëpërçues në të cilin krijohen puse në vëllim dhe të gjitha madhësitë e puseve janë më të vogla se rruga mesatare e lirë e grimcave të emetuara nga një izotop i gaztë, ndërsa detektori është bërë në formën e shtresave të alternuara të n +, i. (ose ν ose π) dhe p + -lloji përçueshmëri në këtë sekuencë n + -i-p + -i-…-n + -i-p + , dhe këto shtresa shtrihen në plane pingul me muret e puseve; Kontaktet ohmike krijohen për shtresat e tipit n+, të lidhura elektrike me njëra-tjetrën dhe të njëjtat kontakte krijohen për shtresat e tipit p+, të cilat gjithashtu janë të lidhura. Rezultati teknik- thjeshtimi i teknologjisë së prodhimit të një detektori gjysmëpërçues që konverton energjinë e grimcave beta në rrymë elektrike. 1 i sëmurë.
Shpikja ka të bëjë me pajisjet që konvertojnë energjinë e grimcave të emetuara nga izotopet në rrymë elektrike dhe mund të përdoren si bateri në pajisje të ndryshme elektronike që konsumojnë rrymë të vogël, por që detyrohen të funksionojnë pa zëvendësuar burimet e energjisë për dhjetë vjet, për shembull, në stimuluesit e ritmit, ose në sensorët e detit të thellë, ose në instrumentet e lëshuara në hapësirë, ose në instrumentet e instaluara në vende të vështira për t'u arritur.
Janë të njohura bateritë bërthamore, parimi i funksionimit të të cilave bazohet në shndërrimin e energjisë së grimcave që lindin nga zbërthimi radioaktiv i izotopeve në rrymë elektrike kur kalojnë nëpër një detektor gjysmëpërçues që funksionon në modalitetin beta ose fotovoltaik. Bateritë e njohura përdorin izotope të gaztë, të lëngët dhe të ngurtë që emetojnë kuanta alfa, beta dhe gama.
Dihet një pajisje që përmban një strehë në të cilën është bërë një detektor gjysmëpërçues silic amorf, që përfaqëson një strukturë p-i-n, dhe pjesa e brendshme e kasës është e mbushur me tritium (3 H), i cili lëshon elektrone. Gjysma e jetës së tritiumit është afërsisht 12 vjet. Në modalitetin e funksionimit, çdo grimcë beta që arrin në sipërfaqen e detektorit fluturon në detektor dhe krijon më shumë se një mijë çifte elektron-vrima në të. Vrimat dhe elektronet që rezultojnë ndahen nga fusha e brendshme e strukturës p-i-n, e cila çon në formimin e tensionit në kontaktet e detektorit dhe shfaqjen e rryme elektrike kur lidhni ngarkesën. Disavantazhi i një baterie të tillë janë vlerat e ulëta të rrymës, proporcionale me sipërfaqen e vetëm një sipërfaqe të detektorit të sheshtë.
Analogu më i afërt i shpikjes së propozuar është bateria e izotopit e propozuar në patentën amerikane (Patenta US 6774531). Prototipi rrit ndjeshëm efikasitetin e detektorit për shkak të dizajnit special të detektorit të silikonit 3D.
Bateria e njohur përmban një strehë të mbushur me gaz tritium, i cili përmban një detektor betavoltaik të bërë nga silikoni i tipit n. Puset për tritium krijohen në vëllimin e detektorit, në muret e të cilit formohet një shtresë e përçueshmërisë së tipit p +, dhe të gjitha madhësitë e puseve nuk e kalojnë rrugën mesatare të lirë të elektroneve në tritium.
Disavantazhi i pajisjes së njohur është se zbatimi i një detektori që përmban puse të thella në vëllimin e gjysmëpërçuesit, në muret e të cilit është formuar një kryqëzim p-n, është shumë i vështirë. problem teknik, e zgjidhur deri tani vetëm për silikon. Për gjysmëpërçuesit e tjerë që kanë një densitet më të lartë se silikoni, dizajni i njohur i detektorit është përgjithësisht i paefektshëm. Në të vërtetë, me një energji mesatare të elektroneve E = 6 keV të emetuar nga tritiumi, elektroni do të jetë në gjendje të depërtojë në detektor vetëm në një thellësi prej 0,1-0,2 μm, dhe në prani të një shtrese të tipit p në muret e puset, një pjesë e konsiderueshme e ngarkesës së gjeneruar nga elektronet rikombinohet në të pa arritur në kryqëzimin p-n.
Rezultati teknik për të cilin synohet zgjidhja e pretenduar është eliminimi i këtyre mangësive.
Ky rezultat arrihet nga fakti se një bateri bërthamore e bazuar në izotope radioaktive, që përmban një strehë të mbushur me material izotopi, ku është vendosur të paktën një detektor gjysmëpërçues, në të cilin krijohen puse në vëllim dhe të gjitha madhësitë e puseve janë më të vogla. se rruga e lirë e grimcave të emetuara nga izotopi i gaztë, ndryshon në atë që shtresat alternative të n + , i (qoftë ν ose π) dhe p + -llojet e përcjellshmërisë krijohen në vëllimin e detektorit në sekuencën vijuese: n + -i-p + -i-…-n + -i-р + , Për më tepër, këto shtresa shtrihen në rrafshe pingul me muret e puseve, krijohen kontakte omike me shtresat e tipit n+, të lidhura elektrike me njëra-tjetrën, të njëjta kontaktet krijohen në shtresat e tipit p+ dhe gjithashtu janë të lidhura.
Në pajisjen e propozuar, dizajni i detektorit eliminon nevojën për të formuar kryqëzime p-n në muret e puseve. Prandaj, detektor mund të bëhet jo vetëm nga silikoni, por edhe nga gjysmëpërçues të tjerë, për shembull, arsenidi i galiumit.
Figura 1 tregon në mënyrë skematike një seksion kryq të një prej modeleve të mundshme të baterisë së propozuar. Bateria përmban një strehë 1 me elektroda 2 dhe 3. Kutia është e mbushur me material izotopi radioaktiv 4. Dy detektorë 5 dhe 6 të bërë nga arsenid galiumi janë vendosur në strehë. Detektorët janë bërë nga materiali epitaksial që përmban një sekuencë shtresash n + 7, i 8, p + 9; shtresat shumë të dopuara n + 7, p + 9 kanë kontakte omike përkatësisht 10 dhe 11, të lidhura me tela me elektrodat 2 dhe 3. të banimit. Puset 12 formohen pingul me rrafshet në të cilat shtresat n + , i, p + janë rritur në vëllimin e detektorit.
Shembull i zbatimit praktik. E vulosur kuti metalike 1, me elektroda 2 dhe 3 të izoluara elektrikisht nga kutia për shkak të futjeve dielektrike, u instaluan dy detektorë identikë 5 dhe 6. Në këtë rast, pjesa e brendshme e kutisë ishte e mbushur me grimca beta radioaktive që lëshonin tritium. Detektorët ishin bërë nga arsenid galiumi i rritur duke përdorur epitaksinë e fazës së gazit. Në një substrat përçues të tipit n +, shtresat u rritën në mënyrë sekuenciale: n + -shtresa 7 me trashësi 10 μm, shtresa i 8, e kompensuar për kromin gjatë procesit të epitaksisë, 30 μm e trashë, p + -shtresa 9 me një trashësia prej 10 μm, pastaj shtresa i 8 30 μm e trashë, shtresa n + 7 10 μm e trashë dhe më pas përsëri shtresa i 8 30 μm e trashë, shtresa p + 9 10 μm e trashë. Duke përdorur metoda standarde Fotolitografia, gravurja kimike dhe depozitimi në vakum formuan kontakte ohmike 10 dhe 11 në shtresat shumë të dopuara. Duke përdorur gravimin e joneve reaktive dhe gravimin kimik afatshkurtër, në detektorë u formuan puse 12 me një diametër të sipërm vrime prej 80 μm dhe një hap prej 100 μm. Si rezultat, u mor një bateri bërthamore e një dizajni të ri.
Në modalitetin e funksionimit, me përmasat e detektorëve 5×5 cm 2 , vëllimi i përgjithshëm i puseve të mbushura me tritium është 0,25 cm 3 . Në këtë rast, radioaktiviteti i vëllimit të treguar me tritium është 10 10 Bq. Meqenëse 70% e elektroneve të emetuara si rezultat i zbërthimit radioaktiv të tritiumit hyjnë në rajonet aktive të detektorit d.m.th. në rajonet gjysmë izoluese 8 (disa bien në shtresa shumë të dopuara) dhe çdo elektron gjeneron afërsisht 1700 çifte elektron-vrima, atëherë rryma maksimale nga kjo bateri do të jetë 2.5 μA.
Kështu, është propozuar një bateri bërthamore me një dizajn të ri detektor betavoltaik. Zbatimi i detektorit nuk kërkon krijimin e kryqëzimeve p-n në muret e puseve të formuara në vëllimin e detektorit, prandaj, jo vetëm strukturat e silikonit mund të përdoren për të krijuar një detektor gjysmëpërçues.
Burimet e informacionit
1. Kherani N.P., Shmayda W.T., Zukotynski S. /Nuclear batteries/ Patent US 5606213, 1997.
2. Chu F.Y., Mannik L., Peralta S.B., Ruda H.E. /Bateri gjysmëpërçuese me energji nga radioizotopi/ Patenta US 5859484, 1999.
3. Gadeken L. / Aparati dhe metoda për gjenerimin e rrymës elektrike nga procesi i kalbjes bërthamore të materialit radioaktiv / Patenta US 6774531, 2004.
Një bateri bërthamore që përmban një strehë të mbushur me material izotopi, ku është vendosur të paktën një detektor gjysmëpërçues, në të cilin krijohen puse në vëllim dhe të gjitha dimensionet e puseve janë më të vogla se rruga e lirë e grimcave të emetuara nga izotopi i gaztë, i karakterizuar në atë që detektori është bërë në formën e shtresave të alternuara të n +, i (qoftë ν ose π) dhe p + -llojet e përçueshmërisë në një sekuencë të tillë n + -i-p + -i-…-n + -i-p +, dhe këto shtresa shtrihen në plane pingul me muret e puseve; Tek shtresat e tipit n + - krijohen kontakte omike, të lidhura elektrikisht me njëra-tjetrën, të njëjtat kontakte krijohen me shtresat e tipit p + - të cilat gjithashtu janë të lidhura.
Patenta të ngjashme:
Shpikja lidhet me një pajisje për depozitimin e avullit të plazmës për prodhimin e moduleve të qelizave diellore me shtresë të hollë silikoni, një metodë për prodhimin e moduleve me film të hollë dhe paneleve fotovoltaike me film të hollë silikoni.
Shpikja lidhet me përdorimin e një kompoziti plastik që përmban një material bartës të zgjedhur nga grupi i polietilen tereftalatit (PET), naftenatit të polietilenit (PEN) ose kopolimerit të etilenit tetrafluoroetilenit (ETFE), si dhe shtresave të poliamidit-12 në kufi me materialin bartës. në të dy anët, për marrjen e moduleve fotovoltaike.
Shpikja ka të bëjë me fushën e projektimit dhe teknologjisë së prodhimit të konvertuesve fotoelektrikë (PC) të rrezatimit diellor në rrymë elektrike dhe mund të përdoret në prodhimin e fotocelave diellore.
Më në fund, Rosatom u shfaq në fushën tonë të baterisë, duke u shfaqur në forumin Atomexpo-2017 bateri bërthamore me një jetë shërbimi të paktën 50 vjet. Duke përfituar nga ky rast i rëndësishëm, ne do të shqyrtojmë perspektivat për përdorimin e atomit paqësor për pajisje celulare.
Bateri atomike (bërthamore).- kjo është ende një bateri, jo një akumulator, pasi është, sipas përkufizimit, një burim i disponueshëm i rrymës elektrike, pa mundësinë e rimbushjes. Pavarësisht kësaj, imagjinata e publikut është ngacmuar në mënyrë aktive nga perspektiva e përdorimit të baterive bërthamore në pajisjet mobile. Por gjërat e para së pari.
Çfarë prezantoi saktësisht Rosatom në forum? CEO FSUE NII NPO Luch, Pavel Zaitsev, deklaroi se burimi i paraqitur, që funksionon në izotopin Ni63, është i aftë të prodhojë 1mkW me një tension prej 2V për 50 vjet. Pavel Zaitsev flet mjaft sinqerisht për karakteristikat modeste të tensionit aktual, duke vënë theksin kryesor në jetën e gjatë të shërbimit. Ndoshta, vetëm nga modestia personale, Drejtori i Përgjithshëm i Ndërmarrjes Federale Unitare të Shtetit "Instituti i Kërkimeve NPO Luch" tregoi në Specifikimet teknike vetëm fuqi, kapacitet jo i pranuar përgjithësisht. Por ne nuk do ta bashkojmë atë rëndësi të madhe dhe thjesht llogarisni kapacitetin:
C = 0.000001W * 50 vjet * 365 ditë * 24 orë / 2V = 219 mA
Rezulton se kapaciteti i një baterie bërthamore, madhësia e një baterie të vogël universale, është njësoj si ajo e një baterie litium-polimer (Li-Pol) për kufjet Bluetooth! Pavel Zaitsev sugjeron përdorimin e baterisë së tij bërthamore në kardiologji, gjë që ngre dyshime serioze duke pasur parasysh këto madhësive të mëdha. Ndoshta kjo bateri bërthamore mund të shihet si një lloj prototipi për gjenerimin e energjisë elektrike nga izotopet, por Rosatom do t'i duhet të tkurret baterinë mijëra herë për t'iu përshtatur stimuluesve të ritmit modern.
Nuk jam aspak i kënaqur me çmimin bateri bërthamore- drejtori i ndërmarrjes unitare shtetërore shpalli çmimin e izotopit të nikelit në dollarë (!) 4000 USD/gram. A do të thotë kjo se komponenti kryesor do të blihet jashtë vendit nga Rusia? Sa gram nevojiten për të bërë një bateri? Në të njëjtën kohë, u vu re se do të kërkoheshin gjithashtu elementë diamanti (gjithashtu nuk është e qartë se sa?), por kostoja e të cilave (tashmë në rubla) varion nga 10,000 në 100,000 rubla për copë. Sa do të jetë kostoja totale e një baterie të tillë? Pacemakers në Rusi instalohen pa pagesë në bazë të politikës së sigurimit të detyrueshëm mjekësor në raste urgjente ose nëse ka një kuotë. Nëse kuota është e pamjaftueshme dhe për stimuluesit kardiak të prodhimit të huaj, pacientët duhet ta paguajnë vetë. A do të instalohen bateritë bërthamore në kurriz të buxhetit të sigurimit të detyrueshëm shëndetësor apo të moshuarit do t'i blejnë ato veçmas? Nëse menaxhmenti i Rosatom do të kujtonte se pensionistët rusë jetojnë në mënyrën e "qëndrimit për një ditë dhe qëndrimit për një natë", atëherë ata me siguri do të kuptonin disonancën absurde midis jetës së shërbimit kozmik dhe kostos. Kjo sugjeron që i respektuari Pavel Zaitsev po përdor në mënyrë aktive fondet e akorduara për Kërkim dhe Zhvillim, pa menduar fare për përdoruesit përfundimtarë. Përdoruesit japin një vlerësim të ngjashëm për "shpikjen" e Rosatom rrjete sociale:
Nuk ka gjasa të përdoret askund. Jam më se i sigurt që buxheti është shpenzuar si gjithmonë, një pjesë e tij është shpenzuar për prezantimin dhe askush nuk do ta shohë kurrë vetë produktin :)
Jeta e deklaruar e shërbimit (50 vjet), siç menduam, është saktësisht gjysma e gjysmës së jetës së Ni 63 (100 vjet). E njëjta logjikë përdoret nga shkencëtarët e Universitetit të Bristolit në një video konceptuale. Ndryshe nga bateria Rosatom, bateria bërthamore e Bristol përdor izotopin C 14 dhe mund të funksionojë për 5730 vjet! Universiteti i Bristolit në fakt ka harruar të pjesëtojë me 2, por 2865 vjet janë shumë të gjata për një stimulues kardiak. E veçanta e konceptit të Bristol qëndron në faktin se problemi i mbetjeve bërthamore zgjidhet duke i ricikluar ato në bateritë bërthamore.
Nëse dëgjoni me vëmendje dhe përktheni tekstin e kësaj videoje, do të zbulohen shumë më tepër. informacion interesant. Së pari, origjina e izotopit C 14 përshkruhet në detaje
Që nga viti 1940, Anglia ka bërë shumë reaktorë bërthamorë për qëllime shkencore, ushtarake dhe civile. Të gjithë këta reaktorë përdorin uranium si lëndë djegëse, dhe pjesa e brendshme e reaktorit është bërë nga blloqe grafiti. Këto blloqe grafiti përdoren në procesin e ndarjes bërthamore për të kontrolluar reaksionin zinxhir që prodhon burim i përhershëm ngrohjes. Kjo nxehtësi përdoret më pas për ta kthyer ujin në avull, i cili më pas rrotullon turbinat për të prodhuar energji elektrike. Termocentralet bërthamore prodhojnë mbetje bërthamore që duhen asgjësuar në mënyrë të sigurt. Thjesht duhet të presim që këto mbetje të mos jenë radioaktive. Fatkeqësisht, kjo kërkon mijëra e miliona vjet. Kërkon gjithashtu shumë para për të monitoruar sigurinë gjatë këtyre shumë viteve. Meqenëse ne përdorim reaktorë grafiti, Anglia krijoi 95,000 tonë blloqe grafiti që përmbajnë rrezatim. Ky grafit është vetëm një formë karboni, një element i thjeshtë dhe i qëndrueshëm, por nëse i vendosni këto blloqe në një vend shumë radioaktiv, atëherë një pjesë e karbonit kthehet në karbon 14. Karboni 14 mund të kthehet në karbon 12 të rregullt kur energjia e tij shtesë të jetë zhdukur. Por ky është një proces shumë i gjatë, sepse gjysma e jetës së karbonit 14 është 5730 vjet.
Kohët e fundit, shkencëtarët nga Instituti Cabot i Universitetit të Bristolit demonstruan se karboni 14 është i përqendruar në blloqe nga rrezatimi nga jashtë. Kjo do të thotë se është e mundur të largohet pjesa më e madhe e rrezatimit duke i ngrohur ato - shumica e rrezatimit del si gaz. të cilat më pas mund të mblidhen. Blloqet e mbetura të grafitit janë ende radioaktive, por jo aq shumë, që do të thotë se do të jetë më e lehtë dhe më e lirë për t'i asgjësuar ato. Karboni radioaktiv 14 në formën e një gazi, mund të përpunohet në presione të ulëta dhe temperaturat e larta në diamant është një formë tjetër e karbonit. Diamantet e prodhuar nga njeriu, të prodhuar nga karboni radioaktiv, lëshojnë një rrymë rrezatimi beta që mund të krijojë një rrymë elektrike. Kjo na jep fuqinë bërthamore të një baterie diamanti. Për ta bërë atë të sigurt për përdorimin tonë, ai është i mbuluar me një shtresë diamanti jo radioaktiv, i cili thith plotësisht të gjithë rrezatimin dhe e shndërron atë në energji elektrike pothuajse 100%. Nuk ka pjesë lëvizëse, nuk ka mirëmbajtje, diamanti thjesht prodhon energji elektrike. Meqenëse diamanti është substanca më e fortë në botë, asnjë substancë tjetër nuk mund të sigurojë një mbrojtje të tillë për karbonin radioaktiv 14. Prandaj, sasi shumë të vogla të rrezatimit mund të zbulohen jashtë. Por është pothuajse e njëjta sasi rrezatimi si një banane, kështu që është plotësisht e sigurt. Siç thamë, vetëm gjysma e karbonit 14 prishet pas çdo 5730 vjetësh, që do të thotë se bateria jonë e diamantit ka një jetëgjatësi të mahnitshme - ajo do të shkarkohet vetëm me 50% në 7746. Këto bateri diamanti do të përdoren më së miri aty ku bateritë e zakonshme nuk mund të zëvendësohen. Për shembull në satelitë për kërkime hapësinore ose për pajisje të implantuara si stimuluesit e ritmit.
I inkurajojmë të gjithë të paraqesin sugjerimet e tyre në #diamondbattery. Zhvillimi i kësaj Teknologji e re do të zgjidhte shumë probleme, si: mbetjet bërthamore, energjinë elektrike të pastër dhe rritjen e jetëgjatësisë së baterisë. Kjo do të na çojë në "Epokën e Diamantit" të prodhimit të energjisë.
Një koncept shumë i bukur nga shkencëtarët nga Bristol në 2016 dhe një kuti shumë modeste nga Rosatom mund (?) një ditë të zhvillohet në termocentrale diamanti, por jo bateri bërthamore për pajisjet e lëvizshme. Do të jetë e vështirë të bindësh njerëzit të ecin me Fukushimën në xhep, edhe nëse fillojnë të paguajnë ekstra për të.
Duke përdorur atomin në për qëllime paqësore- kjo është një nga çështje të diskutueshme moderniteti, nëse kemi parasysh se energjia është sektori më i monopolizuar i ekonomisë, kur taksat dhe tarifat përbëjnë më shumë se 90% të çmimit të KW të energjisë elektrike. Efektiviteti i atomit paqësor është i dyshimtë, pasi çmimi i energjisë bërthamore relativisht të lirë nuk përfshin koston e pasojave të bëra nga njeriu. Prandaj, disa vende, duke përfshirë Gjermaninë dhe Japoninë, kanë vendosur të braktisin plotësisht përdorimin e energjisë bërthamore në energji. Në fund të fundit, duke zhvilluar burime të rinovueshme të energjisë, është e mundur jo vetëm të braktiset plotësisht energjia bërthamore, por edhe të krijohet një industri e teknologjisë së lartë me miliona vende pune shumë të kualifikuara.
Për ta përmbledhur, ka shumë të ngjarë të kemi një tjetër teknikë tjetër të tipit "Super Battery" dhe jo një "shpikje" përparimtare të Epokës së Diamantit. Me fjalë të tjera, përdorimi i një atomi paqësor në mikroenergji është si të rruash një derr - ka shumë klithma, por leshi jo mjaftueshëm!
Në vitet 50 të shekullit të kaluar, betavoltika - një teknologji për nxjerrjen e energjisë së rrezatimit beta - u konsiderua nga shkencëtarët si bazë për krijimin e burimeve të reja të energjisë në të ardhmen. Sot, ka arsye reale për të pohuar me besim se përdorimi i reaksioneve bërthamore të kontrolluara është në thelb i sigurt. Dhjetra teknologji bërthamore po përdoren tashmë nga njerëzit në Jeta e përditshme, një shembull janë detektorët e tymit radioizotop.
Dhe kështu, në mars 2014, shkencëtarët Jae Kwon dhe Bek Kim, duke punuar në Universitetin e Misurit, Kolumbia, SHBA, riprodhuan prototipin e parë të punës në botë të një burimi kompakt energjie të bazuar në stroncium-90 dhe ujë. NË në këtë rast roli i ujit është si një tampon energjetik, i cili do të shpjegohet më poshtë.
Bateria bërthamore do të funksionojë për vite pa mirëmbajtje dhe do të jetë në gjendje të prodhojë rrymë elektrike përmes procesit të dekompozimit të molekulave të ujit kur ato ndërveprojnë me grimcat beta dhe produktet e tjera të kalbjes së stronciumit-90 radioaktiv.
Fuqia e një baterie të tillë duhet të jetë plotësisht e mjaftueshme për të fuqizuar automjetet elektrike dhe madje edhe anijet kozmike. Sekreti i produktit të ri është kombinimi i betavoltaikëve dhe një tendence mjaft e re fizike - rezonatorët plazmonikë.
Plazmonët janë përdorur në mënyrë aktive gjatë viteve të fundit në zhvillimin e specifikave pajisje optike, duke përfshirë super-efikas Panele diellore, lente krejtësisht të sheshta dhe bojë speciale për printim me rezolucion shumë herë më të madh se ndjeshmëria e syve tanë. Rezonatorët plazmonikë janë struktura të veçanta që mund të thithin dhe lëshojnë energji në formën e valëve të dritës dhe formave të tjera të rrezatimit elektromagnetik.
Sot, tashmë ekzistojnë burime të energjisë radioizotopike që shndërrojnë energjinë e kalbjes së atomeve në energji elektrike, por kjo nuk ndodh drejtpërdrejt, por përmes një zinxhiri ndërveprimesh fizike të ndërmjetme.
Fillimisht, tabletat e substancave radioaktive ngrohin trupin e enës në të cilën ndodhen, pastaj kjo nxehtësi shndërrohet në energji elektrike përmes termoçifteve.
Në çdo fazë të transformimit humbet sasi e madhe energjia, efikasiteti i baterive të tilla radioizotopike nuk kalon 7%. Betavoltics për një kohë të gjatë nuk u përdor në praktikë për shkak të shkatërrimit shumë të shpejtë të pjesëve të baterisë nga rrezatimi.
Në fund, shkencëtarët gjetën një mënyrë për të kthyer drejtpërdrejt energjinë e çliruar së bashku me produktet e kalbjes së atomeve të paqëndrueshme. Doli se grimcat beta (elektronet, shpejtësia e të cilave gjatë prishjes së një atomi është mjaft e lartë) janë të afta të zbërthejnë molekulat e ujit në hidrogjen, radikal hidroksil dhe jone të tjerë.
Hulumtimet kanë treguar se këto pjesë të dekompozuara të molekulave të ujit mund të përdoren për të nxjerrë drejtpërdrejt energjinë që thithin nga përplasjet e grimcave beta.
Në mënyrë që një bateri bërthamore e ujit të funksionojë, kërkohet një strukturë e veçantë prej qindra kolonash mikroskopike të oksidit të titanit të veshura me një film platini, në formë të ngjashme me një krehër. Në dhëmbët e tij dhe në sipërfaqen e guaskës së platinit ka shumë mikropore përmes të cilave produktet e prishjes së ujit në fjalë mund të depërtojnë në pajisje. Pra, gjatë funksionimit të baterisë, një numër reaksionesh kimike ndodhin në "krehër" - ndodh dekompozimi dhe formimi i molekulave të ujit, dhe elektronet e lira krijohen dhe kapen.
Energjia e çliruar gjatë gjithë këtyre reaksioneve absorbohet nga "gjilpërat" dhe shndërrohet në energji elektrike. Falë plazmoneve që shfaqen në sipërfaqen e kolonave, të cilat kanë veti fizike të veçanta, një bateri e tillë uji-bërthamore arrin një efikasitet maksimal prej 54%, që është pothuajse dhjetë herë më e lartë se burimet klasike të rrymës radioizotopike.
Zgjidhja jonike e përdorur këtu është shumë e vështirë të ngrihet edhe me mjaftueshëm temperaturat e ulëta mjedisi, i cili bën të mundur përdorimin e baterive të prodhuara duke përdorur teknologji të re për të fuqizuar automjetet elektrike dhe, me paketimin e duhur, në anije kozmike për qëllime të ndryshme.
Gjysma e jetës së stronciumit radioaktiv-90 është afërsisht 28 vjet, kështu që bateria bërthamore e Kwon dhe Kim mund të funksionojë pa humbje të konsiderueshme të energjisë për disa dekada, me vetëm një reduktim 2% të fuqisë në vit. Parametra të tillë, besojnë shkencëtarët, hapin një perspektivë të qartë për adoptimin e gjerë të automjeteve elektrike.
City Labs ka filluar prodhimin e baterive të vërteta atomike NanoTritium. Burimi i energjisë në këto bateri është prishja e hidrogjenit super të rëndë - tritium. Bateria prodhohet në një strehë mikrocirku, në ky moment kostoja e tij është mjaft e lartë dhe arrin në rreth 1000 dollarë. Tritium është një nga dhjetë substancat më të shtrenjta në botë dhe grami i tij kushton 30,000 dollarë.
Tritiumi është një izotop radioaktiv i hidrogjenit. Bërthama e tritiumit përbëhet nga një proton dhe dy neutrone. Kur tritium prishet, ai shndërrohet në 3He. Gjysma e jetës është afërsisht 13 vjet. Energjia e elektroneve të emetuara është e ulët - nga 6.5 keV në 18.59 keV. Rrezatimi ndalohet nga barriera të tilla si veshjet apo edhe lëkura e njeriut. Kur mbyllet, tritiumi është i padëmshëm. Avulli i tritiumit ende paraqet një rrezik rrezatimi. Megjithatë, ka kaq pak prej tij në bateritë atomike NanoTritium saqë ky problem jo relevante. Një mililitër kub gaz tritium ka një aktivitet prej rreth 94 GBq.
Tritium është përdorur prej kohësh në një numër pajisjesh. Për shembull, mund të gjendet në akrepat e orëve që shkëlqejnë në errësirë. Elementet ndriçuese të orës janë bërë si balona të mbyllura të mbushura me gaz tritium. Muret e brendshme të balonave janë të mbuluara me një shtresë fosfori. Parimi i funksionimit të shkëlqimit është mjaft i thjeshtë. Elektronet e emetuara nga tritiumi gjatë zbërthimit beta përplasen me fosforin dhe absorbohen prej tij, duke bërë që ai të shkëlqejë.
Parimi i funksionimit të një baterie atomike është mjaft i thjeshtë: prishja e tritiumit është zbërthimi beta, bërthama e tritiumit kthehet në një bërthamë helium-3 dhe një elektron me energji të lartë emetohet. Tritium pompohet në një vëllim pune qelizor, ose mund të thuhet sfungjer, i bërë nga silikoni. Në silikon, çdo elektron me energji të lartë krijon një numër të madh çiftesh elektron-vrima. Në fakt, procese të ngjashme ndodhin në qelizat e zakonshme diellore - me ndryshimin e vetëm që në një fotocelë një foton gjeneron vetëm një palë (thjesht sepse energjia e një fotoni optik është mijëra herë më e vogël se energjia e një elektroni beta). Më pas, gjithçka që duhet të bëni është të mbyllni qarkun dhe rryma do të rrjedhë.
Burimi i energjisë atomike nga City Labs mund të përballojë ndryshimet e temperaturës nga -50 në 150 gradë Celsius, si dhe ndryshimet e mira të lartësisë. Kjo bateri mund të funksionojë për 20 vjet dhe të japë deri në 2.4V me një rrymë prej 50-300 nanoamps.
Edhe kështu rrymë e ulët mjaftueshëm për të fuqizuar shumë pajisje. Për shembull, pajisje speciale dëgjimi. Radioaktiviteti i elementeve të tritiumit nuk largohet nga trupi dhe nuk mund të zbulohet, në kombinim me modernen teknologjive dixhitale Duke koduar sinjalin, bateri të tilla ju lejojnë të krijoni "përgjime" ideale. Në mjekësi, bateritë atomike NanoTritium mund të përdoren gjithashtu për të fuqizuar stimuluesit kardiak.
Bateritë tritium nuk janë zhvillimi i vetëm i burimeve të energjisë izotopike. Stacionet ndërplanetare amerikane Pioneer dhe Voyager përdorin burime radioizotopi të plutoniumit. Fuqia e tyre është tashmë e rëndësishme - rreth 400 vat. Dhe, meqë ra fjala, ato janë bërë më shumë se dyzet vjet më parë dhe vazhdojnë të punojnë edhe sot.
Fizikanët rusë kanë zhvilluar një bateri që mund të shndërrojë energjinë nga zbërthimi beta - emetimi i elektroneve nga një element radioaktiv - në energji elektrike.
Një ekip studiuesish nga Instituti i Çelikut dhe Lidhjeve në Moskë, i udhëhequr nga kreu i Departamentit të Shkencës së Materialeve të Gjysëmpërçuesve dhe Dielektrikëve, Profesor Yuri Parkhomenko, prezantoi prototipet e baterive radioizotopike të krijuara duke përdorur teknologjinë e shndërrimit të energjisë së rrezatimit beta në energji elektrike bazuar në kristalet piezoelektrike. Izotopi radioaktiv "nikel-63" u përdor si burim. Gjysma e jetës së tij është rreth 100 vjet, gjë që bën të mundur krijimin e baterive me jetëgjatësi deri në 50 vjet.
Prototipi i baterisë bërthamore i prezantuar nga MISiS
Kreu i punës është profesor Yuri Nikolaevich Parkhomenko
Bateritë e tilla shpesh quhen bateri "bërthamore", sepse ato përdorin procesin e kalbjes beta, në të cilin një nga neutronet në bërthamë shndërrohet në një proton, duke emetuar një elektron. Megjithëse prishja beta është një lloj rrezatimi radioaktiv, njerëzit nuk kanë asgjë për t'u frikësuar. Rrezatimi beta në këtë rast ka aftësi të ulët depërtuese dhe mbahet lehtësisht nga guaska. Dhe izotopi i nikelit-63 i përdorur nuk ka rrezatim gama shoqërues. Pra, vetë bateritë nuk lëshojnë rrezatim dhe janë plotësisht të sigurta.
Për të kompensuar fuqinë e ulët të kalbjes beta natyrale, fizikanët përdorin modaliteti i pulsit me akumulimin e ngarkesës. Në këtë rast, është e mundur të sigurohet një fuqi e vazhdueshme e rrymës elektrike prej 10-100 nanovat nga çdo centimetër kub i pajisjes. Kjo fuqi është e mjaftueshme për të fuqizuar, për shembull, një stimulues kardiak.
Falë afatgjatë Jetëgjatësia e baterisë do të gjejë aplikim në rastet kur zëvendësimi i tyre është i padëshirueshëm ose thjesht i pamundur: në mjekësi, energji bërthamore, inxhinieri hapësinore, nano- dhe mikroelektronikë, në sistemet e sigurisë dhe kontrollit.
Zgjedhja e izotopit “nikel-63”, i cili nuk ekziston në natyrë, si burim energjie nuk është i rastësishëm. Edhe vendi ynë është zhvilluar teknologji unike prodhimi i tij në reaktorë të posaçëm bërthamor dhe pasurimi deri në "jo më të ulët se 80%" të kërkuar. Prodhimi i baterive është planifikuar për Territorin Krasnoyarsk.
Karakteristikat unike të pajisjes së zhvilluar, kompaktësia dhe siguria e saj na lejojnë të shpresojmë për konkurrencën e saj në tregun e furnizimeve të ngjashme me energji elektrike
E vetmja pengesë e baterisë është cmim i larte. Për shkak të kostos së lartë të prodhimit të nikelit-63 faza fillestare mund të arrijë në disa milion rubla. Megjithatë, me zhvillimin e teknologjisë dhe krijimin e prodhimit masiv, çmimi në mënyrë të pashmangshme do të bjerë ndjeshëm.
