211service.com
Een batterij van 25 jaar
Batterijen die energie oogsten uit het nucleaire verval van isotopen, kunnen een zeer lage stroomsterkte produceren en tientallen jaren meegaan zonder dat ze vervangen hoeven te worden. Een nieuwe versie van de batterijen, betavoltaics genaamd, wordt ontwikkeld door een bedrijf uit Ithaca, NY en getest door Lockheed Martin . De batterijen kunnen mogelijk elektrische circuits voeden die militaire vliegtuigen en raketten beschermen tegen sabotage door informatie die in de systemen is opgeslagen te vernietigen of door een waarschuwingssignaal naar een militair centrum te sturen. De batterijen gaan naar verwachting 25 jaar mee. Het bedrijf, genaamd Widetronix , werkt ook samen met fabrikanten van medische apparaten om batterijen te ontwikkelen die tientallen jaren meegaan voor implanteerbare medische apparaten.
Kernenergie: Het pakket in dit prototype bètavoltaïsche batterij bevat lagen siliciumcarbide en metaalfolie ingebed met de radioactieve isotoop tritium. Wanneer hoogenergetische elektronen die worden uitgezonden door het verval van tritium het siliciumcarbide raken, produceert het een elektrische stroom die de cel verlaat via de metalen pinnen. Dergelijke batterijen zijn ontworpen om 25 jaar mee te gaan.
De batterijen van Widetronix worden aangedreven door het verval van een waterstofisotoop genaamd tritium in hoogenergetische elektronen. Terwijl zonnecellen halfgeleiders zoals silicium gebruiken om energie van de fotonen in zonlicht op te vangen, gebruiken bètavoltaïsche cellen een halfgeleider om de energie op te vangen in elektronen die worden geproduceerd tijdens het nucleaire verval van isotopen. Dit type nucleair verval wordt bètaverval genoemd, vanwege de hoogenergetische elektronen, bètadeeltjes genaamd, die het produceert. De levensduur van bètavoltaïsche apparaten hangt af van de halfwaardetijden, variërend van enkele jaren tot 100 jaar, van de radio-isotopen die ze aandrijven. Om van tritium een batterij te maken die 25 jaar meegaat, met een halfwaardetijd van 12,3 jaar, laadt Widetronix het pakket met tweemaal zoveel tritium als aanvankelijk nodig is. Deze apparaten zijn bestand tegen veel zwaardere omstandigheden dan chemische batterijen. Dit, en hun lange levensduur, maakt bètavoltaïsche energie aantrekkelijk als energiebron voor medische implantaten en voor militaire waarneming op afstand in extreem warme en koude omgevingen.
Het concept van bètavoltaïsche energie is ongeveer 50 jaar oud. De eerste pacemakers gebruikten bètavoltaïsche cellen op basis van het radioactieve element promethium, maar deze bètavoltaïsche cellen werden uitgefaseerd toen er goedkopere lithium-ionbatterijen werden ontwikkeld. De technologie duikt nu weer op, zegt Peter Cabauy , CEO van een ander bètavoltaïsch bedrijf, gevestigd in Miami Stadslabs , omdat halfgeleidende materialen zo veel verbeterd zijn. Vroege halfgeleidende materialen waren niet efficiënt genoeg in het omzetten van elektronen van bètaverval in een bruikbare stroom, dus moesten ze hogere energie, duurdere en potentieel gevaarlijke isotopen gebruiken. Efficiëntere halfgeleidende materialen kunnen worden gecombineerd met relatief goedaardige isotopen zoals tritium, die zwakke straling produceren.
De batterijen van Widetronix zijn gemaakt van een metaalfolie geïmpregneerd met tritiumisotopen en een dunne chip van het halfgeleider siliciumcarbide, dat 30 procent van de bètadeeltjes die erop terechtkomen kan omzetten in een elektrische stroom. Siliciumcarbide is erg robuust en als we het dunner maken, wordt het flexibel, zegt Widetronix CEO Jonathan Greene . Als we chips en folie opstapelen tot een pakket van een vierkante centimeter en twee tiende van een centimeter hoog, hebben we een product van één microwatt. Het prototype dat wordt getest door Lockheed Martin produceert 25 nanowatt aan vermogen.
Betavoltaics zijn niet erg krachtig. Ze hebben lang niet genoeg vermogen om een laptop of mobiele telefoon aan te drijven. Maar hun energiedichtheid is hoog: ze slaan veel energie op in films van slechts micrometer dik en kunnen in zeer kleine verpakkingen worden gemaakt. We richten ons op plekken waar je een zeer lange levensduur en energiedichtheid nodig hebt, zegt Greene.
Een van die plaatsen is het toezicht op militair materieel. Alles wat het ministerie van Defensie naar buiten brengt, moet worden beschermd tegen sabotage, zodat als iemand de zoekerkop van een raket of een heel vliegtuig in handen krijgt, het heel moeilijk zou zijn om het te reverse-engineeren, zegt Christian Adams, een chemicus bij Lockheed Martin raketten en vuurleiding . De geheugenchips die dergelijke antitamper-systemen aansturen, hebben volgens Adams gedurende lange tijd een zeer laag continu vermogen nodig. Militaire specificaties vereisen ook dat deze apparaten bestand zijn tegen extreme omstandigheden die normale batterijen niet kunnen verdragen: ze moeten werken bij temperaturen van -65 tot 150 ˚C en bestand zijn tegen hoogfrequente trillingen, hoge vochtigheid en zoutstoten. Als de batterij bevriest of leeg raakt, verliest het geheugencircuit zijn configuratie en faalt het apparaat, zegt Adams.
Widetronix is de eerste die uit de poort komt met iets dat kan worden getest volgens militaire specificaties, zegt Adams. Lockheed ontving vorige week de prototypes van het bedrijf. Als de bètavoltaïsche cellen de test doorstaan, zal Lockheed ze waarschijnlijk over ongeveer een jaar in antitamper-producten hebben, zegt hij. Lockheed werkt ook samen met het bedrijf om bètavoltaïsche energie met een hoger vermogen te ontwikkelen voor het op afstand bewaken van raketten. Het uitzenden van een radiosignaal om te zeggen dat ik gezond ben, vereist microwatt aan vermogen, zegt Adams. Widetronix test ook zijn batterijen met medisch-apparaatbedrijf Welch Allyn. Het verwacht de batterijen te verkopen voor $ 500.
Cabauy van City Lab zegt dat hoewel het vooruitzicht van nucleaire batterijen, vooral voor medische implantaten, wenkbrauwen kan doen fronsen, tritium veilig is. Naast het bètadeeltje zijn andere producten van het verval van tritium een antineutrino en een isotoop van helium die niet radioactief is. Een stuk papier kan de straling van tritium stoppen, zegt Cabauy.
De toekomstige belofte van bètavoltaïsche energie zit misschien in zeer goedkope sensoren die zijn ingebed in gebouwen en bruggen waar je de batterij nooit wilt vervangen, zegt Amit Lali , hoogleraar elektrische en computertechniek aan de Cornell University. Hiervoor zouden bedrijven zoals Widetronix echter moeten overstappen op materialen met een langere halfwaardetijd, zoals nikkelisotopen die 100 jaar meegaan. Hoewel tritium een halfwaardetijd heeft van slechts 12,3 jaar, is een van de belangrijkste voordelen, naast veiligheid, dat het goedkoop kan worden verkregen uit Canadese kernreactoren die zwaar water als bijproduct produceren. Isotopen met een langere halfwaardetijd, zoals nikkel-63, moeten tegen hoge prijzen in het buitenland worden gekocht. Sinds het einde van de Koude Oorlog is er geen overheidssteun voor radio-isotopeninfrastructuur in de Verenigde Staten, zegt Lal. Batterijen maken die eeuwig meegaan, is waarschijnlijk een goede reden om die infrastructuur te bouwen.