Jadrové batérie

Už v 50. rokoch 20. storočia považovali vedci betavoltaiku – technológiu na získavanie energie beta žiarenia – za základ pre vytváranie nových zdrojov energie v budúcnosti. Dnes existujú skutočné dôvody na sebavedomé tvrdenie, že používanie riadených jadrových reakcií je vo svojej podstate bezpečné. V bežnom živote už ľudia využívajú desiatky jadrových technológií, napríklad rádioizotopové detektory dymu.

Takže v marci 2014 vedci Jae Kwon a Bek Kim z University of Missouri, Kolumbia, USA reprodukovali prvý funkčný prototyp na svete kompaktného zdroja energie na báze stroncia-90 a vody. V tomto prípade je úlohou vody energetický nárazník, čo bude vysvetlené nižšie.

Jadrová batéria bude fungovať roky bez údržby a bude schopná produkovať elektrickú energiu v dôsledku rozpadu molekúl vody pri ich interakcii s beta časticami a inými produktmi rozpadu rádioaktívneho stroncia-90.

Výkon takejto batérie by mal plne postačovať na pohon elektrických vozidiel a dokonca aj vesmírnych lodí.Tajomstvo nového produktu spočíva v kombinácii betavoltaiky a celkom nového fyzikálneho trendu — plazmónových rezonátorov.

Plazmóny sa v posledných rokoch aktívne využívajú pri vývoji špecifických optických zariadení, vrátane ultra účinných solárnych článkov, úplne plochých šošoviek a špeciálneho tlačiarenského atramentu s rozlíšením mnohonásobne vyšším, než je citlivosť našich očí. Plazmonické rezonátory sú špeciálne štruktúry schopné absorbovať aj vyžarovať energiu vo forme svetelných vĺn a vo forme iných foriem elektromagnetického žiarenia.

Dnes už existujú rádioizotopové zdroje energie, ktoré premieňajú energiu rozpadu atómov na elektrinu, no nedeje sa to priamo, ale prostredníctvom reťazca medziľahlých fyzikálnych interakcií.

Tablety rádioaktívnych látok najskôr zohrejú telo nádoby, v ktorej sa nachádzajú, následne sa toto teplo pomocou termočlánkov premení na elektrickú energiu.

V každej fáze premeny sa stráca obrovské množstvo energie; z toho účinnosť takýchto rádioizotopových batérií nepresahuje 7 %. Betavoltica sa už dlho v praxi nepoužíva kvôli veľmi rýchlemu zničeniu častí batérie žiarením.

Nakoniec vedci našli spôsob, ako priamo transformovať uvoľnenú energiu spolu s produktmi rozpadu nestabilných atómov. Ukázalo sa, že beta častice (elektróny, ktorých rýchlosť je pri rozpade atómu dostatočne vysoká) sú schopné rozkladať molekuly vody na vodík, hydroxylový radikál a iné ióny.

Výskum ukázal, že tieto rozpadnuté časti molekúl vody môžu byť použité na priamu extrakciu energie, ktorú absorbujú v dôsledku zrážok s beta časticami.

Na to, aby vodná jadrová batéria fungovala, je potrebná špeciálna štruktúra stoviek mikroskopických stĺpcov oxidu titaničitého pokrytých platinovým filmom, ktorý má tvar podobný hrebeňu. V jeho zuboch a na povrchu platinovej škrupiny je mnoho mikropórov, cez ktoré môžu do zariadenia prenikať naznačené produkty rozkladu vody. Počas prevádzky batérie teda v „hrebene“ prebieha množstvo chemických reakcií — dochádza k rozkladu a tvorbe molekúl vody, pričom vznikajú a zachytávajú sa voľné elektróny.

Energia uvoľnená počas všetkých týchto reakcií je absorbovaná "ihlami" a premenená na elektrinu. Vďaka plazmónom objavujúcim sa na povrchu stĺpov, ktoré majú špeciálne fyzikálne vlastnosti, dosahuje takáto vodno-jadrová batéria svoju maximálnu účinnosť, ktorá môže byť 54 %, čo je takmer desaťkrát viac ako klasické rádioizotopové zdroje prúdu.

Iónový roztok, ktorý sa tu používa, je veľmi ťažké zmraziť aj pri dostatočne nízkych teplotách okolia, čo umožňuje použiť batérie vyrobené novou technológiou na napájanie elektrických vozidiel a, ak sú správne zabalené, aj do kozmických lodí na rôzne účely.

Polčas rozpadu rádioaktívneho stroncia-90 je približne 28 rokov, takže jadrová batéria Kwona a Kima môže fungovať bez výraznej straty energie niekoľko desaťročí so znížením výkonu len o 2 % ročne.Vedci tvrdia, že takéto parametre otvárajú jasnú perspektívu pre všadeprítomnosť elektrických vozidiel.