Koniec ładowania urządzeń mobilnych? Mimo nuklearnych fobii baterie betawoltaiczne mogą wrócić do łask

Gdybyśmy żyli w świecie o równie liberalnym podejściu doenergii nuklearnej, co świat Fallouta, już dawno byśmy zapomnielio konieczności ładowania smartfonów. Decydenci większości krajówświata są jednak uprzedzeni wobec radiacji i mutacji, wskutek czegowszystko, co w nazwie ma słowo „nuklearny” czy „atomowy”automatycznie trafia na indeks dóbr zakazanych. Ostatnie osiągnięciefizyków z University of Missouri otwiera jednak drogę doakceptacji nuklearnych baterii na szerszą skalę. Może nie na tyleszeroką, by trafić np. do kolejnego iPhone'a – ale można sobiewyobrazić, że opracowany przez nich typ baterii mógłby zasilaćnp. google'owe balony projektuLoon.

Pierwsze baterie betawoltaiczne pojawiły się po raz pierwszy wStanach Zjednoczonych i Związku Radzieckim w latach sześćdziesiątychXX wieku. Od razu wzbudziły spore zainteresowanie projektantówsystemów kosmicznych – znakomicie nadawały się do zasilaniaurządzeń o niewielkim poborze mocy, dostarczając energię przezdziesięciolecia. Jednocześnie unikały typowych problemów dlawcześniej wykorzystywanych źródeł energii jądrowej, w którychpromieniowanie służyło do generowania ciepła, z którego dopierogenerowano elektryczność – przede wszystkim łatwo je byłoizolować, bez konieczności stosowania ołowianych płaszczy.

Tu źródłem elektryczności jest bezpośrednio rozpadbeta. Źródło radiacji zestawione jest z płytkąpółprzewodnika (typu p-n). Podczas rozpadu dochodzi do emisjipromieniowania beta, tworzącego w półprzewodniku parydziura-elektron. Wzrost liczby tych par powoduje powstanie siłyelektromotorycznej, a co za tym idzie, przepływu prądu. Wielkośćsiły elektromotorycznej jest wprost proporcjonalna do efektywnościkonwersji w półprzewodniku i energii użytego izotopu, więc napoczątku ze względu na słabość technik półprzewodnikowychstosowano w bateriach betawoltaicznych silnie radioaktywne izotopy.Już jednak w tym stuleciu udało się stworzyć działającąbaterię betawoltaiczną, wykorzystującą jako źródłopromieniowania izotop wodoru tryt. Uważni Czytelnicy zauważą tuwiele analogii z działaniem ogniwa fotowoltaicznego, które zamiastpromieniowania beta wykorzystuje światło.

Swój rynkowy debiut baterie betawoltaiczne miały jednakwcześniej. Niemiecka firma Biotronik w latach siedemdziesiątychwykorzystała takie baterie (z izotopem prometu) w swoichrozrusznikach serca, dając im gwarancję działania nawet przez 10lat. „Nuklearne” rozruszniki serca zostały zaakceptowane przezwładze medyczne w wielu krajach Europy Zachodniej, a potem i USA –i zapewne technikę tę czekałaby świetlana przyszłość, gdybynie dwa czynniki – katastrofa w Czarnobylu i postęp w dziedziniebaterii litowo-jonowych. Pierwszy doprowadził do sytuacji, w którejsamo brzmienie słowa promieniowanie powodowało panikę upotencjalnych użytkowników, drugi sprawił, że bateriebetawoltaiczne po prostu przestały się opłacać.

Bateria opracowana przez fizyków z University of Missouri, BaekaHyun Kima i Jae W. Kwona, ma znów przywrócić tę technikęzasilania do łask. W jej konstrukcji wykorzystano pokrytą platynąelektrodę z dwutlenku tytanu (stosowanego np. w filtrachprzeciwsłonecznych), dobrze znany w radiologii izotop stront-90,oraz... zwykłą wodę, a właściwie wodny roztwór wodorotlenkusodu. Okres połowicznego rozpadu strontu-90 to niecałe 29 lat.Izotop ten przekształca się w krótkotrwały itr-90 (połowicznyrozpad w około 60 godzin), który ostatecznie zamienia się wstabilny cyrkon. Cały ten proces zachodzi praktycznie bez emisjizabójczego promieniowania gamma.

Kluczowe jest tu właśnie zastosowanie wody. Jae Kwon wyjaśnia,że woda w baterii działa jako bufor, chroniący półprzewodnikprzed uszkodzeniami od samej radiacji beta, a powstające w niejplazmony powierzchniowe (czyli kwazicząstki oscylującej plazmy,które powstają na powierzchniach granicznej między dwomaośrodkami) mają znacząco zwiększać efektywność całegoprocesu, nawet o dwa rzędy wielkości.

Szczegółowy opis tego osiągnięcia techniki znajdziecie wNature, w artykulept. Plasmon-assisted radiolytic energy conversion in aqueoussolutions. My tu jedynie zauważymy, że w przeciwieństwie dotego, co niektóre zachodnie serwisy usiłują sugerować, ta akuratkonstrukcja raczej „pod strzechy”, czy nawet do garaży nie trafi– obrót strontem jest ściśle kontrolowany (choćby ze względuna możliwość wykorzystania go do budowy tzw. brudnej bomby,czyli broni, która służy do radioaktywnego skażenia środowiska).Wydajność całego procesu pozwala jednak pytać o zastosowaniemniej radioaktywnych izotopów, takich jak wspomniany wcześniejtryt. Jeśli uda się w ten sposób zbudować trytową baterię, tomimo relatywnie niskiej energii przemiany, to właśnie ona mogłabystać się źródłem zasilania dla domowej elektroniki.