211service.com
De atoombatterij
Het typische future-tech-scenario vereist miljoenen laagvermogen radiofrequentie-apparaten verspreid over onze omgeving - van sensorarrays op de fabrieksvloer tot medische implantaten tot slimme apparaten voor slagvelden.
Vanwege de korte en onvoorspelbare levensduur van chemische batterijen, zou het echter nodig zijn om deze apparaten regelmatig te vervangen. Brandstofcellen en zonnecellen hebben weinig onderhoud nodig, maar de eerste zijn te duur voor zulke bescheiden, energiezuinige toepassingen en de laatste hebben veel zon nodig.
Een derde optie kan echter een krachtig - en veilig - alternatief bieden. Het wordt de Direct Energy Conversion (DEC) Cell genoemd, een op bètavoltaïsche energie gebaseerde nucleaire batterij die meer dan tien jaar kan werken op de elektronen die worden gegenereerd door het natuurlijke verval van de radioactieve isotoop tritium. Het is ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Rochester en een startup, BetaBatt, in een project dat wordt beschreven in het nummer van Advanced Materials van 13 mei en gedeeltelijk wordt gefinancierd door de National Science Foundation.
Omdat de halfwaardetijd van tritium 12,3 jaar is (de tijd waarin de helft van zijn radioactieve energie is uitgestoten), zou de DEC-cel voor veel toepassingen tien jaar aan stroom kunnen leveren. Dat zou duidelijk een economische zegen zijn, vooral voor toepassingen waarbij het vervangen van batterijen zeer onhandig is, zoals in de geneeskunde en de olie- en mijnbouwindustrie, die sensoren vaak op gevaarlijke of moeilijk bereikbare plaatsen plaatst.
Een van onze belangrijkste markten is voor afgelegen, zeer moeilijk te vervangen sensoren, zegt Larry Gadeken, hoofduitvinder en president van BetaBatt. U kunt deze [batterij] één keer plaatsen en met rust laten.
Bètavoltaïsche apparaten gebruiken radio-isotopen die relatief onschadelijke bètadeeltjes uitzenden, in plaats van gevaarlijkere gammafotonen. Ze zijn eigenlijk al 50 jaar in laboratoria getest, maar ze genereren zo weinig stroom dat er nog geen grotere commerciële rol voor ze is gevonden. Tot nu toe zijn door tritium aangedreven bètavoltaïsche cellen, die minimale afscherming vereisen en niet in staat zijn om door de menselijke huid te dringen, gebruikt om uitgangsborden en glow-in-the-dark horloges te verlichten. Een commerciële versie van de DEC Cell zal waarschijnlijk niet genoeg energie hebben om een mobiele telefoon van stroom te voorzien, maar genoeg voor een sensor of pacemaker.
De sleutel tot het levensvatbaarder maken van de DEC-cel is het verhogen van de efficiëntie waarmee het vermogen creëert. In het verleden hebben bètavoltaïsche onderzoekers een ontwerp gebruikt dat lijkt op een zonnecel: een platte wafel is bedekt met een diodemateriaal dat elektrische stroom creëert wanneer het wordt gebombardeerd door uitgezonden elektronen. Maar alles behalve de elektronendeeltjes die naar de diodes schieten, gaan verloren in dat ontwerp, zegt Phillipe Fauchet, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek aan de Universiteit van Rochester, die het efficiëntere ontwerp ontwikkelde op basis van het concept van Gadeken.
De oplossing was om meer van het reactieve oppervlak aan de deeltjes bloot te stellen door een poreuze siliciumdiodewafel te maken, bestrooid met één micron brede, 40 micron diepe putjes. Wanneer het radioactieve gas deze putten inneemt, creëert het de maximale mogelijkheid om de reactie te benutten.
Even belangrijk is dat het proces gemakkelijk reproduceerbaar en goedkoop is, zegt Fauchet - een noodzaak als de DEC-cel commercieel levensvatbaar wil zijn.
De fabricagetechnieken zijn misschien betaalbaar, maar het tritium zelf - een bijproduct van de productie van kernenergie - is nog steeds duurder dan het lithium in de batterij van je mobiele telefoon. De kosten zijn echter minder een probleem voor apparaten die speciaal zijn ontworpen om moeilijk te verkrijgen gegevens te verzamelen.
De kosten zijn slechts één reden waarom Gadeken zegt dat hij de batterij-hongerige markt voor consumentenelektronica niet zal nastreven. Andere problemen zijn onder meer de belemmeringen op het gebied van regelgeving en marketing die ontstaan door het aandrijven van apparaten voor de massamarkt met radioactieve materialen en de grote batterijcapaciteit die nodig zou zijn om voldoende stroom op te wekken. Toch zegt hij dat de technologie ooit kan worden gebruikt als druppellader voor lithium-ionbatterijen.
In plaats daarvan richt zijn bedrijf zich op marktsectoren die batterijvermogen op de lange termijn nodig hebben en een comfortabele bekendheid hebben met nucleair materiaal.
We richten ons op toepassingen zoals medische technologie, die al gebruik maken van radioactiviteit, zegt Gadeken.
Veel implantaatpatiënten gaan bijvoorbeeld nog steeds langer mee dan hun batterijen en hebben dure en risicovolle vervangende operaties nodig.
Uiteindelijk hoopt Gadeken ook NASA te dienen, als het bedrijf een manier kan vinden om genoeg energie uit tritium te halen om een ruimtevarend object van stroom te voorzien. Ruimtevaartorganisaties zijn geïnteresseerd in veiligere en lichtere stroombronnen dan de door plutonium aangedreven radio-isotopen thermische generatoren (RTG) die worden gebruikt in robotmissies, zoals Voyager, die een RTG-stroombron heeft die bedoeld is om tot rond 2020 te werken.
Bovendien zou een bètavoltaïsche krachtbron waarschijnlijk de milieuproblemen verlichten, zoals die werden geuit bij de lancering van de Cassini-satellietmissie naar Saturnus, toen demonstranten vreesden dat een explosie zou kunnen leiden tot neerslag boven Florida.
Voor nu hoopt Gadeken echter het medische veld en een verscheidenheid aan nichemarkten te interesseren in onderzeese, ondergrondse en polaire sensortoepassingen, met een focus op de olie-industrie.
En de volgende stap is om de technologie aan te passen voor gebruik in zeer kleine batterijen die micro-elektromechanische systemen (MEMS) kunnen aandrijven, zoals apparaten die worden gebruikt in optische schakelaars of de vrij zwevende slimme stofsensoren die door het leger worden ontwikkeld.
Een ander bètavoltaïsch apparaat, in ontwikkeling aan de Cornell University, richt zich ook op de MEMS-stroommarkt. De door radio-isotopen aangedreven piëzo-elektrische generator, die over een paar jaar in prototypevorm komt, zal een bètavoltaïsche cel combineren met een tritium-aangedreven elektromechanische cantilever-apparaat dat voor het eerst werd gedemonstreerd in 2002.
Amit Lal, een van de Cornell-onderzoekers, geeft zowel lof als voorzichtige scepsis over de DEC-cel. Hoewel hij onder de indruk is van het vermogen van de DEC-cel, zei hij dat er nog steeds problemen zijn met stroomlekkage. Om die potentiële lekkageproblemen te voorkomen, gebruikt Cornell een wafelontwerp op iets grotere schaal. Ze zijn ook van plan over te stappen op een poreus ontwerp en vast of vloeibaar tritium om de efficiëntie te verbeteren.
Lal merkt ook op dat de markt voor het Cornell-apparaat of de DEC-cel mogelijk wordt geperst door nieuwere lithiumbatterijen met een langere levensduur. Toch is er volgens hem een niche voor zeer kleine apparaten, vooral apparaten die langer dan tien jaar moeten meegaan.