Biztonságos nukleáris akkumulátor, amely egy életen át kitarthat
Előfordul, hogy a mobiltelefonok a vártnál hamarabb lemerülnek, vagy az elektromos járművek nem rendelkeznek elegendő töltéssel ahhoz, hogy elérjék úti céljukat. Az ezekben és más eszközökben található újratölthető lítium-ion (Li-ion) akkumulátorok jellemzően órákig vagy napokig bírják töltések között. Az ismételt használattal azonban az akkumulátorok degradálódnak, és gyakrabban kell újratölteni őket. A kutatók most a radiokarbont fontolgatják biztonságos, kis méretű és megfizethető nukleáris akkumulátorok forrásaként, amelyek évtizedekig vagy tovább is kitarthatnak töltés nélkül.
Su-Il In, a Daegu Gyeongbuk Tudományos és Technológiai Intézet professzora az Amerikai Kémiai Társaság (ACS) tavaszi ülésén mutatta be eredményeit. Az ACS 2025-ös tavaszi ülését március 23-27. között tartották; mintegy 12 000 előadást tartalmaz számos tudományos témában.
A lítium-ion akkumulátorok gyakori töltése nemcsak kellemetlenség. Korlátozza az akkumulátorokat energiatermelésre használó technológiák, például a drónok és a távérzékelő berendezések hasznosságát. Az akkumulátorok a környezetre is károsak: a lítiumbányászat energiaigényes, és a lítium-ion akkumulátorok nem megfelelő ártalmatlanítása szennyezheti az ökoszisztémákat. De a csatlakoztatott eszközök, adatközpontok és más számítástechnikai technológiák egyre növekvő elterjedésével egyre nagyobb az igény a hosszú élettartamú akkumulátorokra.
És a jobb lítium-ion akkumulátorok valószínűleg nem jelentik a megoldást erre a kihívásra.
„A lítium-ion akkumulátorok teljesítménye szinte telített” – mondja In, aki a jövő energiatechnológiáit kutatja. Ezért In és csapata tagjai nukleáris akkumulátorokat fejlesztenek a lítium alternatívájaként.
A nukleáris akkumulátorok a radioaktív anyagok által kibocsátott nagy energiájú részecskék hasznosításával termelnek energiát. Nem minden radioaktív elem bocsát ki olyan sugárzást, amely káros az élő szervezetekre, és bizonyos sugárzásokat bizonyos anyagok blokkolhatnak. Például a béta-részecskék (más néven béta-sugarak) egy vékony alumíniumlemezzel árnyékolhatók, így a bétavoltaikus akkumulátorok potenciálisan biztonságos választást jelenthetnek a nukleáris akkumulátorok számára.
A kutatók egy prototípus bétavoltaikus akkumulátort készítettek C-14-gyel, a szén egy instabil és radioaktív formájával, amelyet radiokarbonnak neveznek.
„Úgy döntöttem, hogy a szén radioaktív izotópját használom, mert az csak béta-sugarakat generál” – mondja In. Ráadásul, az atomerőművek mellékterméke, a radiokarbon olcsó, könnyen elérhető és könnyen újrahasznosítható. És mivel a radiokarbon nagyon lassan bomlik le, egy radiokarbonnal működő akkumulátor elméletileg évezredekig is kitarthat.
Egy tipikus bétavoltaikus akkumulátorban az elektronok egy félvezetőnek ütköznek, ami elektromos áram termeléséhez vezet. A félvezetők kritikus fontosságú alkotóelemei a bétavoltaikus akkumulátoroknak, mivel elsősorban az energiaátalakításért felelősek. Következésképpen a tudósok fejlett félvezető anyagokat kutatnak a magasabb energiaátalakítási hatékonyság elérése érdekében – ez az a mérték, amely azt méri, hogy egy akkumulátor mennyire hatékonyan képes az elektronokat felhasználható elektromos árammá alakítani.
Az új tervük energiaátalakítási hatékonyságának jelentős javítása érdekében In és a csapat egy titán-dioxid alapú félvezetőt használt, egy napelemekben gyakran használt anyagot, amelyet ruténium alapú festékkel szenzibilizáltak. Citromsavas kezeléssel megerősítették a titán-dioxid és a festék közötti kötést. Amikor a radiokarbon béta-sugarai ütköznek a kezelt ruténium alapú festékkel, elektronátviteli reakciók sorozata, az úgynevezett elektronlavina következik be. Ezután a lavina áthalad a festéken, és a titán-dioxid hatékonyan összegyűjti a keletkezett elektronokat.
Az új akkumulátor radiokarbont is tartalmaz a festékkel szenzibilizált anódban és egy katódban. Azzal, hogy mindkét elektródát radioaktív izotóppal kezelték, a kutatók növelték a keletkező béta-sugarak mennyiségét, és csökkentették a távolsággal összefüggő béta-sugárzási energiaveszteséget a két szerkezet között.
A prototípus akkumulátor bemutatása során a kutatók azt tapasztalták, hogy a mindkét elektródán lévő radiokarbonból kibocsátott béta-sugarak beindították az anódon lévő ruténium alapú festéket, ami elektronlavinát generált, amelyet a titán-dioxid réteg összegyűjtött, és egy külső áramkörön áthaladva felhasználható elektromos áramot eredményezett. Egy korábbi, csak a katódon lévő radiokarbonnal rendelkező kialakításhoz képest a kutatók katódban és anódban is radiokarbonnal rendelkező akkumulátorának sokkal nagyobb volt az energiaátalakítási hatásfoka, 0,48%-ról 2,86%-ra emelkedett.
Ezek a hosszú élettartamú nukleáris akkumulátorok számos alkalmazást tehetnek lehetővé, mondja In. Például egy pacemaker egy ember életében kitartana, kiküszöbölve a sebészeti beavatkozások szükségességét.
Ez a bétavoltaikus kialakítás azonban a radioaktív bomlásnak csak egy kis részét alakította át elektromos energiává, ami a hagyományos lítium-ion akkumulátorokhoz képest alacsonyabb teljesítményt eredményezett. Azt sugallja, hogy a béta-sugárzó alakjának optimalizálására és a hatékonyabb béta-sugárzó elnyelők kifejlesztésére irányuló további erőfeszítések javíthatják az akkumulátor teljesítményét és növelhetik az energiatermelést.
Ahogy az éghajlatváltozással kapcsolatos aggodalmak nőnek, a közvélemény is változik az atomenergiával kapcsolatos felfogásban. De még mindig úgy gondolnak rá, mint egy kizárólag egy távoli helyen lévő nagy erőműben előállított energiára. In szerint ezekkel a kettős telephelyű, festékkel szenzibilizált bétavoltaikus cellás akkumulátorokkal „biztonságos atomenergiát tudunk ujjnyi méretű eszközökbe juttatni”.