Av
Personliga problem med kärnavfall från iPoden? Ett kärnkraftverk i fickan? Nix, det handlar om kraftförsörjning för riktigt små apparater, som MEMS (micro electromechanical systems) och underhållsladdning av andra batterier. Det drar inte särskilt mycket ström, och särskilt mycket ström kommer det inte heller ur det nukleära batteriet. För närvarande, ska sägas.
Nukleära batterier, så kallade betavoltaics, är ganska vanliga inom militär- och rymdindustrin, men de måste beklagligtvis göras ganska stora och därmed ganska tunga beroende på att de måste innehålla ganska mycket halvledarmaterial. Halvledarmaterialet skadas med tiden av strålningen och det måste finnas nog med material för att hålla en längre tid.
Ett nytt batteri från Missouris Universitet är stort och tjockt som ett mindre mynt och kan producera ungefär en miljon gånger så mycket energi som ett kemiskt batteri av samma storlek, och dessutom så länge isotopen lever, kanske i hundra år med väl vald isotop. Den specifika energitätheten i radioaktivt sönderfall är cirka fem tiopotenser (100.000x) större än energitätheten hos ett kemiskt batteri eller en bränslecell, så batteritypen är värd alla forskningsinsatser.
Det nya, tunna batteriet är en sandwich av svavel och selen, eventuellt på ett glassubstrat (?).
Batteriet utnyttjar inte någon kärnreaktion, fission eller liknande, utan strömmen genereras genom en mycket enkel princip. Ett betastrålande ämne, som exempelvis en radioaktiv isotop, får stråla på ett strålmål som består av en halvledardiod. Närmare bestämt bestrålar man diodens pn-övergång. Energin i betapartiklen genererar elektron-hål-par i övergången genom att slå bort elektroner från halvledarmaterialet. Detta kommer att skapa en potentialskillnad mellan diodens elektroder och elektronerna vill gärna tillbaka till den andra elektroden för att utjämna entropin. Det får de, genom att man tar ut strömmen på en yttre elektrod och låter den flyta tillbaka via en extern krets, alltså det som ska drivas. Funktionen liknar väldigt mycket den som används i halvledande monokristallina solceller. Du vet vad som händer med sådana när de bli polykristallina? Verkningsgraden sjunker drastiskt.
Den hittills vanligaste isotopen har varit tritium-gas och man han använt kisel som halvledarmaterial. Tritium har en halveringstid på 12,5 år och därmed får batteriet samma livslängd. Det räcker bra för till exempel en bärbar dator. Tyvärr strålar gasen åt alla håll och mycket av strålningen går förlorad om man använder en platt kiselskiva som strålmål. Med hjälp av poröst kisel (introd. 2005) har man kunnat innesluta gasen bättre och fått del av mera av strålningen. Problemet har hittills varit att kristallstrukturen i halvledarmaterialet i strålmålet till sist förstörs av strålningen och strålmålet slutar fungera. Lösningen som forskarna på Missouris Universitet kom med var att göra strålmålet halvflytande. Då finns ingen styv kristallstruktur som kan brytas sönder.
Forskarna använde sig av isotopen svavel-35 (halveringstid 87,2 dagar), en betastrålare som fick bestråla en schottkydiod som skapats i halvledaren selen. Man byggde helt enkelt en tunn sandwich av en skiva selen och en skiva svavel. Därför kunde batteriet göras så tunt. Uteffekten hos en enstaka protoypcell är dock inget att skryta med: 16,2 nanowatt. Tomgångsspänningen ligger på 0,899 volt och kortslutningsströmmen är 107,4 nanoampere. Så forskningen har nu inriktat sig på att öka effekten, minska storleken och prova andra material. Batteriet bör gå att göra tunnare än ett mänskligt hårstrå. Det är alltså inga problem att stapla tusen eller tiotusen på varandra.
Forskarna Jae Kwon och David Robertson samarbetade för att få fram det nya, tunna batteriet.
Men finns inte risken att man kan få strålskador av batteriet, även om mängderna radioaktivt material är små? Nej. Man väljer en sådan isotop som inte avger gammastrålning någon gång under sin sönderfallsserie utan bara alfa- och betastrålning. Dessa två stråltyper passerar som vi vet inte ens genom papper. Ett skal av lagom tjock plast är tillräckligt. Ett bra sådant material är Strontium-90 som kan fås som restprodukt från kärnkraftverk. Tantal-180m är en annan sådan isotop, som dessutom finns i naturen.
Lämpliga användningsområden är till exempel rymd- och militära tillämpningar och satelliter som annars regelbundet får sina solceller sönderslagna av solvinden. Apparater som ska implanteras i människan, exempelvis pacemaker eller liknande, skulle kunna dra väldig nytta av nukleära batterier. Undervattensinstrument som tsunamivarningsapparater som monteras på havsbotten, behöver också långlivade batterier. Batteriet matar inte ut särskilt mycket ström, men med val av rätt isotop gör det det nästan för evigt, så ett förslag är att använda det för underhållsladdning av mobiltelefonbatterier.
Mikromekaniska system, som MEMS-celler och ”smart damm” som ska flyta runt i atmosfären och rapportera väder, vind och föroreningar måste också ha långlivad kraft.
Xcell-N
Det fins ett lagom svårfångat och svårhittat brittiskt företag som heter Shephard Electric som har arbetat med nukleära batterier till bärbara datorer under åtta år. Deras batteri kallat Xcell-N räcker mellan 7-8000 gånger så länge som ett vanligt kemiskt batteri, alltså 3,5 års kontinuerlig drift. Nästa i längsta laget för en bärbar dator. Det behövs inte särskilt mycket radioaktivt material och det kan kapslas in säkert. Man skulle kunna köpa en Xcell-N och därefter helt glömma bort den. Företagsledaren Shepard själv påstår sig ha haft en Xcell-N i sin Powerbook i åtta månader och har aldrig behövt ta ut batteriet. Apparaten har sedan batteribytet aldrig varit inpluggad i ett vägguttag.
Men visst finns det problem. Olika länder har olika lagstiftning för hantering av radioaktivt avfall och export av dylika batterier kan bli problem.
Inte RTG!
Förväxla inte det här med RTG (Radioactive Thermal Generator) som består av en klump plutonium innesluten i ett kraftigt skal. Plutoniet är varmt och värmen används antingen till att hålla elektronik varm på kalla platser, som exempelvis på Mars, eller till att generera elektricitet med hjälp av termoelement inbakade i skalets väggar. RTGer kan också leva väldigt länge. Den som driver Voyagersonden har levt i 32 år och från ursprungliga 420 watt är effekten nu nere under hälften på grund av att plutoniet tappat sugen. Om 16 år, 2025 räknar man med att effekten ska ha sjunkit så mycket att RTGn inte längre kan driva ett enda instrument och då anses Voyager som död. 48 år är ganska bra för ett batteri.
Nukleära batterier, så kallade betavoltaics, är ganska vanliga inom militär- och rymdindustrin, men de måste beklagligtvis göras ganska stora och därmed ganska tunga beroende på att de måste innehålla ganska mycket halvledarmaterial. Halvledarmaterialet skadas med tiden av strålningen och det måste finnas nog med material för att hålla en längre tid.
Ett nytt batteri från Missouris Universitet är stort och tjockt som ett mindre mynt och kan producera ungefär en miljon gånger så mycket energi som ett kemiskt batteri av samma storlek, och dessutom så länge isotopen lever, kanske i hundra år med väl vald isotop. Den specifika energitätheten i radioaktivt sönderfall är cirka fem tiopotenser (100.000x) större än energitätheten hos ett kemiskt batteri eller en bränslecell, så batteritypen är värd alla forskningsinsatser.
Det nya, tunna batteriet är en sandwich av svavel och selen, eventuellt på ett glassubstrat (?).
Batteriet utnyttjar inte någon kärnreaktion, fission eller liknande, utan strömmen genereras genom en mycket enkel princip. Ett betastrålande ämne, som exempelvis en radioaktiv isotop, får stråla på ett strålmål som består av en halvledardiod. Närmare bestämt bestrålar man diodens pn-övergång. Energin i betapartiklen genererar elektron-hål-par i övergången genom att slå bort elektroner från halvledarmaterialet. Detta kommer att skapa en potentialskillnad mellan diodens elektroder och elektronerna vill gärna tillbaka till den andra elektroden för att utjämna entropin. Det får de, genom att man tar ut strömmen på en yttre elektrod och låter den flyta tillbaka via en extern krets, alltså det som ska drivas. Funktionen liknar väldigt mycket den som används i halvledande monokristallina solceller. Du vet vad som händer med sådana när de bli polykristallina? Verkningsgraden sjunker drastiskt.
Den hittills vanligaste isotopen har varit tritium-gas och man han använt kisel som halvledarmaterial. Tritium har en halveringstid på 12,5 år och därmed får batteriet samma livslängd. Det räcker bra för till exempel en bärbar dator. Tyvärr strålar gasen åt alla håll och mycket av strålningen går förlorad om man använder en platt kiselskiva som strålmål. Med hjälp av poröst kisel (introd. 2005) har man kunnat innesluta gasen bättre och fått del av mera av strålningen. Problemet har hittills varit att kristallstrukturen i halvledarmaterialet i strålmålet till sist förstörs av strålningen och strålmålet slutar fungera. Lösningen som forskarna på Missouris Universitet kom med var att göra strålmålet halvflytande. Då finns ingen styv kristallstruktur som kan brytas sönder.
Forskarna använde sig av isotopen svavel-35 (halveringstid 87,2 dagar), en betastrålare som fick bestråla en schottkydiod som skapats i halvledaren selen. Man byggde helt enkelt en tunn sandwich av en skiva selen och en skiva svavel. Därför kunde batteriet göras så tunt. Uteffekten hos en enstaka protoypcell är dock inget att skryta med: 16,2 nanowatt. Tomgångsspänningen ligger på 0,899 volt och kortslutningsströmmen är 107,4 nanoampere. Så forskningen har nu inriktat sig på att öka effekten, minska storleken och prova andra material. Batteriet bör gå att göra tunnare än ett mänskligt hårstrå. Det är alltså inga problem att stapla tusen eller tiotusen på varandra.
Forskarna Jae Kwon och David Robertson samarbetade för att få fram det nya, tunna batteriet.
Men finns inte risken att man kan få strålskador av batteriet, även om mängderna radioaktivt material är små? Nej. Man väljer en sådan isotop som inte avger gammastrålning någon gång under sin sönderfallsserie utan bara alfa- och betastrålning. Dessa två stråltyper passerar som vi vet inte ens genom papper. Ett skal av lagom tjock plast är tillräckligt. Ett bra sådant material är Strontium-90 som kan fås som restprodukt från kärnkraftverk. Tantal-180m är en annan sådan isotop, som dessutom finns i naturen.
Lämpliga användningsområden är till exempel rymd- och militära tillämpningar och satelliter som annars regelbundet får sina solceller sönderslagna av solvinden. Apparater som ska implanteras i människan, exempelvis pacemaker eller liknande, skulle kunna dra väldig nytta av nukleära batterier. Undervattensinstrument som tsunamivarningsapparater som monteras på havsbotten, behöver också långlivade batterier. Batteriet matar inte ut särskilt mycket ström, men med val av rätt isotop gör det det nästan för evigt, så ett förslag är att använda det för underhållsladdning av mobiltelefonbatterier.
Mikromekaniska system, som MEMS-celler och ”smart damm” som ska flyta runt i atmosfären och rapportera väder, vind och föroreningar måste också ha långlivad kraft.
Xcell-N
Det fins ett lagom svårfångat och svårhittat brittiskt företag som heter Shephard Electric som har arbetat med nukleära batterier till bärbara datorer under åtta år. Deras batteri kallat Xcell-N räcker mellan 7-8000 gånger så länge som ett vanligt kemiskt batteri, alltså 3,5 års kontinuerlig drift. Nästa i längsta laget för en bärbar dator. Det behövs inte särskilt mycket radioaktivt material och det kan kapslas in säkert. Man skulle kunna köpa en Xcell-N och därefter helt glömma bort den. Företagsledaren Shepard själv påstår sig ha haft en Xcell-N i sin Powerbook i åtta månader och har aldrig behövt ta ut batteriet. Apparaten har sedan batteribytet aldrig varit inpluggad i ett vägguttag.
Men visst finns det problem. Olika länder har olika lagstiftning för hantering av radioaktivt avfall och export av dylika batterier kan bli problem.
Inte RTG!
Förväxla inte det här med RTG (Radioactive Thermal Generator) som består av en klump plutonium innesluten i ett kraftigt skal. Plutoniet är varmt och värmen används antingen till att hålla elektronik varm på kalla platser, som exempelvis på Mars, eller till att generera elektricitet med hjälp av termoelement inbakade i skalets väggar. RTGer kan också leva väldigt länge. Den som driver Voyagersonden har levt i 32 år och från ursprungliga 420 watt är effekten nu nere under hälften på grund av att plutoniet tappat sugen. Om 16 år, 2025 räknar man med att effekten ska ha sjunkit så mycket att RTGn inte längre kan driva ett enda instrument och då anses Voyager som död. 48 år är ganska bra för ett batteri.
