แบตเตอรี่นิวเคลียร์

ย้อนกลับไปในทศวรรษที่ 1950 betavoltaics ซึ่งเป็นเทคโนโลยีสำหรับการสกัดพลังงานของรังสีบีตา นักวิทยาศาสตร์มองว่าเป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างแหล่งพลังงานใหม่ในอนาคต ทุกวันนี้ มีเหตุผลที่แท้จริงสำหรับการยืนยันอย่างมั่นใจว่าการใช้ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่มีการควบคุมนั้นปลอดภัยโดยเนื้อแท้ ผู้คนใช้เทคโนโลยีนิวเคลียร์หลายสิบรายการในชีวิตประจำวัน เช่น เครื่องตรวจจับควันไอโซโทปรังสี

ดังนั้น ในเดือนมีนาคม 2014 นักวิทยาศาสตร์ Jae Kwon และ Bek Kim จากมหาวิทยาลัยมิสซูรี โคลัมเบีย สหรัฐอเมริกา ได้สร้างต้นแบบการทำงานครั้งแรกของโลกของแหล่งพลังงานขนาดกะทัดรัดที่ใช้สตรอนเชียม-90 และน้ำ ในกรณีนี้ บทบาทของน้ำคือบัฟเฟอร์พลังงาน ซึ่งจะอธิบายด้านล่าง

แบตเตอรี่นิวเคลียร์จะทำงานเป็นเวลาหลายปีโดยไม่ต้องบำรุงรักษา และจะสามารถผลิตไฟฟ้าได้เนื่องจากการแตกตัวของโมเลกุลของน้ำเมื่อมีปฏิกิริยากับอนุภาคบีตาและผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวอื่นๆ ของกัมมันตภาพรังสีสตรอนเชียม-90

พลังงานของแบตเตอรี่ดังกล่าวควรเพียงพอสำหรับขับเคลื่อนยานพาหนะไฟฟ้าและแม้แต่ยานอวกาศความลับของผลิตภัณฑ์ใหม่นี้อยู่ที่การผสมผสานระหว่างเบต้าโวลตาอิกและเทรนด์ทางฟิสิกส์ที่ค่อนข้างใหม่ นั่นคือพลาสมอนเรโซเนเตอร์

Plasmons ถูกนำมาใช้อย่างแข็งขันในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาในการพัฒนาอุปกรณ์ออปติคัลเฉพาะ รวมถึงเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูง เลนส์แบนราบทั้งหมด และหมึกพิมพ์พิเศษที่มีความละเอียดสูงกว่าความไวของดวงตาหลายเท่า เครื่องสะท้อนเสียงแบบพลาสโมนิกเป็นโครงสร้างพิเศษที่สามารถดูดซับและปล่อยพลังงานออกมาในรูปของคลื่นแสงและในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ารูปแบบอื่นๆ

ทุกวันนี้ มีแหล่งพลังงานไอโซโทปรังสีที่เปลี่ยนพลังงานจากการสลายตัวของอะตอมเป็นไฟฟ้าอยู่แล้ว แต่สิ่งนี้ไม่ได้เกิดขึ้นโดยตรง แต่ผ่านสายโซ่ของปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพระดับกลาง

ประการแรก เม็ดสารกัมมันตภาพรังสีให้ความร้อนแก่ร่างกายของภาชนะบรรจุ จากนั้นความร้อนนี้จะถูกแปลงเป็นไฟฟ้าโดยใช้เทอร์โมคัปเปิล

พลังงานจำนวนมากสูญเสียไปในแต่ละขั้นตอนของการแปลง จากนี้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ไอโซโทปรังสีดังกล่าวไม่เกิน 7% Betavoltica ไม่ได้ใช้งานมานานเนื่องจากการทำลายชิ้นส่วนแบตเตอรี่อย่างรวดเร็วด้วยรังสี

ในที่สุด นักวิทยาศาสตร์ก็พบวิธีเปลี่ยนพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาโดยตรงพร้อมกับผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวของอะตอมที่ไม่เสถียร ปรากฎว่าอนุภาคบีตา (อิเล็กตรอนที่มีความเร็วสูงเพียงพอในระหว่างการสลายตัวของอะตอม) สามารถสลายโมเลกุลของน้ำให้เป็นไฮโดรเจน อนุมูลไฮดรอกซิล และไอออนอื่นๆ

การวิจัยแสดงให้เห็นว่าโมเลกุลของน้ำที่สลายตัวเหล่านี้สามารถนำมาใช้เพื่อดึงพลังงานที่ดูดซับได้โดยตรงจากการชนกับอนุภาคบีตา

เพื่อให้แบตเตอรี่นิวเคลียร์น้ำทำงานได้ จำเป็นต้องมีโครงสร้างพิเศษของคอลัมน์ไมโครสโคปของไททาเนียมออกไซด์หลายร้อยอันที่หุ้มด้วยฟิล์มแพลทินัมซึ่งมีรูปร่างคล้ายกับหวี ในฟันของมันและบนพื้นผิวของเปลือกแพลทินัม มีรูพรุนขนาดเล็กจำนวนมากซึ่งผลิตภัณฑ์ที่ระบุจากการสลายตัวของน้ำสามารถแทรกซึมเข้าไปในอุปกรณ์ได้ ดังนั้นในระหว่างการทำงานของแบตเตอรี่ ปฏิกิริยาเคมีจำนวนหนึ่งจึงเกิดขึ้นใน "หวี" นั่นคือการสลายตัวและการก่อตัวของโมเลกุลของน้ำเกิดขึ้น ในขณะที่อิเล็กตรอนอิสระเกิดขึ้นและถูกจับ

พลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างปฏิกิริยาทั้งหมดนี้จะถูกดูดซับโดย "เข็ม" และเปลี่ยนเป็นไฟฟ้า เนื่องจากพลาสมอนที่ปรากฏบนพื้นผิวของเสามีคุณสมบัติทางกายภาพพิเศษ แบตเตอรี่นิวเคลียร์น้ำจึงมีประสิทธิภาพสูงสุด 54% ซึ่งสูงกว่าแหล่งกำเนิดไอโซโทปรังสีแบบดั้งเดิมเกือบสิบเท่าในปัจจุบัน

สารละลายไอออนิกที่ใช้ที่นี่เป็นเรื่องยากมากที่จะแข็งตัวแม้ในอุณหภูมิแวดล้อมที่ต่ำพอ ทำให้สามารถใช้แบตเตอรี่ที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีใหม่เพื่อขับเคลื่อนยานพาหนะไฟฟ้า และหากบรรจุอย่างเหมาะสม ยังใช้ในยานอวกาศเพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ ได้อีกด้วย

ครึ่งชีวิตของกัมมันตภาพรังสีสตรอนเชียม-90 อยู่ที่ประมาณ 28 ปี ดังนั้นแบตเตอรี่นิวเคลียร์ของ Kwon และ Kim จึงสามารถทำงานได้โดยไม่สูญเสียพลังงานอย่างมีนัยสำคัญเป็นเวลาหลายทศวรรษ โดยลดพลังงานลงเพียง 2% ต่อปีนักวิทยาศาสตร์กล่าวว่า พารามิเตอร์ดังกล่าวเปิดโอกาสที่ชัดเจนสำหรับการแพร่หลายของยานพาหนะไฟฟ้า