Bateriile nucleare

Încă din anii 1950, betavoltaica - o tehnologie pentru extragerea energiei radiațiilor beta - era considerată de oamenii de știință ca fiind baza pentru crearea de noi surse de energie în viitor. Astăzi, există motive reale pentru a afirma cu încredere că utilizarea reacțiilor nucleare controlate este în mod inerent sigură. Zeci de tehnologii nucleare sunt deja folosite de oameni în viața de zi cu zi, cum ar fi detectoarele de fum cu radioizotopi.

Așadar, în martie 2014, oamenii de știință Jae Kwon și Bek Kim de la Universitatea din Missouri, Columbia, SUA au reprodus primul prototip funcțional din lume al unei surse de energie compactă bazată pe stronțiu-90 și apă. În acest caz, rolul apei este un tampon energetic, ceea ce va fi explicat mai jos.

Bateria nucleară va funcționa ani de zile fără întreținere și va putea produce energie electrică datorită defalcării moleculelor de apă pe măsură ce acestea interacționează cu particulele beta și cu alți produși de descompunere ai stronțiului-90 radioactiv.

Puterea unei astfel de baterii ar trebui să fie pe deplin suficientă pentru a alimenta vehiculele electrice și chiar navele spațiale.Secretul noului produs constă în combinația dintre betavoltaici și o tendință destul de nouă în fizică - rezonatoarele cu plasmoni.

Plasmonurile au fost folosite activ în ultimii ani în dezvoltarea unor dispozitive optice specifice, inclusiv celule solare ultra-eficiente, lentile complet plate și cerneală specială de imprimare cu o rezoluție de multe ori mai mare decât sensibilitatea ochilor noștri. Rezonatoarele plasmonice sunt structuri speciale capabile să absoarbă și să emită energie sub formă de unde luminoase și sub formă de alte forme de radiație electromagnetică.

Astăzi, există deja surse de energie radioizotopice care convertesc energia dezintegrarii atomilor în electricitate, dar acest lucru nu se întâmplă direct, ci printr-un lanț de interacțiuni fizice intermediare.

În primul rând, tabletele de substanțe radioactive încălzesc corpul recipientului în care se află, apoi această căldură este transformată în electricitate prin intermediul termocuplurilor.

O cantitate imensă de energie se pierde în fiecare etapă a conversiei; din aceasta, eficiența unor astfel de baterii radioizotopi nu depășește 7%. Betavoltica nu a fost folosită de mult în practică din cauza distrugerii foarte rapide a pieselor bateriei prin radiații.

În cele din urmă, oamenii de știință au găsit o modalitate de a transforma direct energia eliberată împreună cu produsele de descompunere a atomilor instabili. S-a dovedit că particulele beta (electroni a căror viteză este suficient de mare în timpul dezintegrarii unui atom) sunt capabile să descompună moleculele de apă în hidrogen, radical hidroxil și alți ioni.

Cercetările au arătat că aceste părți degradate ale moleculelor de apă pot fi folosite pentru a extrage direct energia pe care o absorb ca urmare a ciocnirilor cu particulele beta.

Pentru ca bateria nucleară de apă să funcționeze, este nevoie de o structură specială de sute de coloane microscopice de oxid de titan acoperite cu o peliculă de platină, asemănătoare ca formă cu un pieptene. În dinții săi și pe suprafața învelișului de platină, există mulți micro-pori prin care produsele indicate de descompunere a apei pot pătrunde în dispozitiv. Deci, în timpul funcționării bateriei, în „pieptene” au loc o serie de reacții chimice - are loc descompunerea și formarea moleculelor de apă, în timp ce electronii liberi apar și sunt capturați.

Energia eliberată în timpul tuturor acestor reacții este absorbită de „ace” și transformată în electricitate. Datorită plasmonilor care apar la suprafața stâlpilor, având proprietăți fizice deosebite, o astfel de baterie apă-nucleară atinge eficiența maximă, care poate fi de 54%, ceea ce este de aproape zece ori mai mare decât sursele clasice de curent radioizotop.

Soluția ionică folosită aici este foarte greu de înghețat chiar și la temperaturi ambientale suficient de scăzute, făcând posibilă utilizarea bateriilor fabricate cu noua tehnologie pentru a alimenta vehiculele electrice și, dacă sunt ambalate corespunzător, și în nave spațiale în diferite scopuri.

Timpul de înjumătățire al stronțiului radioactiv-90 este de aproximativ 28 de ani, astfel încât bateria nucleară a lui Kwon și Kim poate funcționa fără pierderi semnificative de energie timp de câteva decenii, cu o reducere a puterii de doar 2% pe an.Oamenii de știință spun că astfel de parametri deschid o perspectivă clară pentru omniprezentarea vehiculelor electrice.