Témata
Reklama

Mikroelektronika: Atomová baterie

Betavoltaické články využívající radioaktivní rozpad by znamenaly revoluci ve využívání všech systémů, které si vystačí s minimem energie, ale jsou choulostivé na její výpadky. Štafetu výzkumu teď po Američanech přebrali Rusové.

Vývoj baterií je jedním z nejdynamičtěji se rozvíjejících odvětví mikroelektroniky. Baterie pohání miliardy přístrojů po celém světě, a tak není divu, že výrobci hledají stále nové a výkonnější články. Jenže i ty nejmodernější baterie stále zaostávají za životností přístrojů. Zažívá to téměř každý spotřebitel. Tři roky starý chytrý telefon je stále technologicky na výši, jeho zdroj energie je však u konce. Baterie, jejíž kapacita by klesala jen velmi zvolna a vydržela by tak řádově desítky let, by byla skutečným technologickým průlomem.

Není to přitom nápad ze světa sci-fi. Princip takové „věčné“ baterie je znám už více než sto let. Již v roce 1913 britský fyzik Henry Moseley demonstroval takzvaný betavoltaický článek. Fungoval na stejném principu, na jakém jsou vystavěny fotovoltaické panely – mezi dvěma elektrodami je zataven polovodič, který po vystavení paprskům vytváří elektrické napětí. Jen s tím rozdílem, že energie nevzniká díky slunečnímu světlu, tedy fotonům, ale záření beta. Jde o proud rychlých elektronů, který vzniká při radioaktivním rozpadu atomových jader. Moseley experimentoval s izotopy radia, od té doby však vědci jako zdroj záření beta pro konstrukci elektrických článků vyzkoušeli celou řadu jiných prvků. V laboratořích americké firmy RCA experimentovali v letech 1953–56 s izotopy stroncia, yttria a promethia, díky nedokonalým polovodičům však dospěli pouze k elektrické účinnosti v podobě 0,2 procenta energie záření beta. Není bez zajímavosti, že tento výzkum položil základy fotovoltaiky.

V roce 1972 byla patentována Betacel, první komerční atomová baterie z dílny amerických laboratoří McDonnell Douglas. Článek využívající izotop promethia 147 byl zakomponován do německých kardiostimulátorů Biotronik a voperován stovce pacientů, ale o dva roky později byl projekt zastaven. Důvodem byl nástup mnohem levnějších lithiových baterií, které využívají chemickou interakci tohoto kovu s oxidem manganičitým, ale i nepodložené obavy z jaderných technologií.

Reklama
Reklama
Reklama
Betavoltaický článek NanoTritium od firmy CityLabs

Nápad na baterie živené jaderným rozpadem tak na dlouhou dobu usnul. Nicméně zhruba před deseti lety se vědci o atomové články začali znovu zajímat. Lithiové baterie mají sice výborné parametry, v případě zkratu jim však hrozí rychlé vybití. Také jejich životnost se počítá stále jen na roky, nikoliv desítky let. Což je v případě přístrojů, kde je výměna baterie velmi obtížná (kromě kardiostimulátorů jde třeba i o měřicí aparatury kosmických sond nebo podmořských vrtů), zásadní nedostatek.

Radioizotopová baterie vyvinutá na University of Missouri

V roce 2012 americká společnost CityLabs uvedla na trh svůj betavoltaický článek NanoTritium, schopný dodávat proud od 50 do 350 nanoampérů. Baterie připomínající tvarem i velikostí běžný počítačový čip má sice povolení jít do běžného prodeje, ale ve skutečnosti CityLabs s výrobou nikdy nezačaly.

Průlom v závodě o dostupnější betavoltaický článek mezitím odstartovali Rusové. Při vývoji atomové baterie, která by měla vydržet v provozu až padesát let, spojily své síly hned tři instituce. Zatímco vědecká studie vychází z projektu Sibiřské státní letecko-kosmické univerzity, Tomský polytechnický institut má na starosti design článku. Podnik Gorno-chimičeskij kombinat (GCHK), který spadá pod ruský atomový koncern Rosatom, se pak postará o výrobu samotného „paliva“.


Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Ruská baterie by měla využívat izotop niklu 63, který na rozdíl od tritia neemituje tak silné záření a má navíc dlouhý poločas rozpadu – přes sto let. Další výhodou je snadnější výroba niklové baterie. Izotop niklu zůstává kovem a jeho uložení do mikročlánku je tak snadnější než v případě plynného tritia, radioizotopu vodíku.

V současné době kombinát v Železnogorsku ve svém výzkumném reaktoru vyrábí nikl 63 ozařováním plátků extrémně čistého niklu. „Koncem roku 2016 bychom chtěli mít hotový izotop, v následujícím roce plánujeme představit prototyp baterie,“ upřesnil Pjotr Gavrilov, ředitel GCHK. Tak jako v případě americké baterie NanoTritium, by i ruský jaderný článek měl být konstruován tak, aby jeho majitel nemusel mít žádnou dodatečnou licenci na provozování jaderného zařízení. Emise betačástic budou dokonale odstíněny.

Výroba gramu radiokativního niklu by měla přijít na 4 tisíce amerických dolarů a vývoj jedné baterie pak bude stát bezmála 4,5 milionu rublů (1,4 milionu korun). Pokud by zůstalo jen u kusové výroby, betavoltaika by se nevyplatila. Ruští vědci však věří, že objednávek na „věčnou baterii“ se sejde tolik, že cena radikálně poklesne. „Naši experti vycestovali do Švýcarska a tamní lékaři se velmi zajímali o užití baterií do kardiostimulátorů,“ dodal Gavrilov.

Technologie jaderných článků je i po více než sto letech od samotného objevu betavoltaiky stále na půli cesty k úspěchu. A zřejmě nikdy nenajde široké komerční využití. Všude tam, kde je nutné napájet mikroelektroniku v extrémních teplotních podmínkách bez hrozby výpadku, by ovšem atomová baterie znamenala zásadní průlom. A pro uživatele kardiostimulátorů možná i zlepšení kvality života.

Zpracováno redakcí

zuzana.zidlicka@mmspektrum.com

Reklama
Související články
Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 3. díl: Energetický mix České republiky

V minulém díle jsme upozornili na tu skutečnost, že elektromobily lze za vozidla s nízkými anebo nulovými emisemi skleníkových plynů považovat pouze podmíněně a že jednou z takových podmínek je energetický mix dané země. To jsme ilustrovali na rozdílných emisích bateriových elektrických automobilů mezi Řeckem (155,3 g CO2/km) a Švédskem (4,1 g CO2/km). V tomto díle se zaměříme právě na energetický mix, jak všeobecně, tak v souvislosti s očekávaným postupným přechodem na elektromobilitu.

Úspory naruby - Pravda a lži o vytápění, 2. část

S neustálým zdražováním energií se mnoho obyvatel ptá, čím ekologicky a současně i ekonomicky, tedy levně a s účinností pokud možno přes 100 %, vytápět svůj rodinný dům?

Jaderné elektrárny ze zakonzervovaných stavenišť

S projekty výstavby jaderných elektráren, které byly na několik let, někdy i desítek let zakonzervovány, se můžeme setkat po celém světě. Některé z nich se podařilo dokončit a mohou tak plnit svou roli v nízkoemisní výrobě elektřiny.

Související články
Dodávky pro nejmodernější jaderné elektrárny světa

Koncem února uvedla ruská korporace pro atomovou energii Rosatom do komerčního provozu první blok Novovoroněžské JE-II, která se řadí k nejmodernějším a nejbezpečnějším jaderným elektrárnám na světě. Tento blok je vybaven hermetickými kabelovými průchodkami z produkce společnosti Kabelovna Kabex, která v minulém roce dodala kabely také pro Leningradskou JE-II se stejným typem reaktorů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Supravodič, to je 8 200 vláken o průměru pět mikrometrů

Poměrně dobře je známo, že Velký hadronový urychlovač v CERNu používá supravodivé magnety a že je bude používat i tokamak ITER. Jak je to však s použitím supravodičů v dalších vědeckých zařízeních? Kdy byl použit supravodič poprvé?

Hyperrychlost pro superspolehlivost

Rosatom vyvíjí a používá superpočítače schopné provést stovky trilionů operací za sekundu.

Multi-D: způsob, jak postavit jadernou elektrárnu včas

Podíváme-li se do světa na průběh výstavby jaderných elektráren, uvidíme, že přístup k řízení projektů se mění, avšak v některých případech až zpětně, což způsobuje zpoždění a nárůst nákladů. Od generálního dodavatele se očekává kromě garance nákladů také garance termínu uvedení do provozu. Jedním ze způsobů, jak toto zajistit, je metodika Multi-D, kterou používá ruská společnost NIAEP-ASE ze struktury Rosatomu.

Novovoroněž II: první reaktor generace III+ na světě

V době, kdy probíhalo aktuální výběrové řízení na rozšíření Temelína, nebyl v provozu žádný demonstrační blok nabízených typů. Dnes se situace mění, protože v prosinci dochází k fyzikálnímu spouštění prvního bloku ruské Novovoroněžské jaderné elektrárny II s reaktorem VVER-1200, který je považován za první reaktor generace III+, jenž bude v provozu.

S jaderným pohonem na Mars jen za měsíc a půl

Doba, která je nutná k dopravení lidské posádky na Mars pomocí současných chemických pohonů, přesahuje rok a půl, což je příliš dlouho, především kvůli působení kosmického záření. Pokud by si loď měla nést palivo potřebné k návratu, doba letu by se navíc ještě prodloužila. V současnosti probíhá testování paliva a komponent pro jaderný reaktor, který by mohl donést lidi k Marsu jen za měsíc a půl.

Průlom v jaderné energetice

Na konci loňského roku se podařilo připojit k síti nejvýkonnější průmyslový rychlý reaktor na světě. Jde o BN-800 a uvádí jej do provozu ruský Rosatom v rámci projektu Proryv (česky průlom) s cílem převést technologie pro uzavřený palivový cyklus z laboratoří do praxe.

Přenošené jaderné elektrárny

V souvislosti s odklady termínu spuštění třetího a čtvrtého bloku slovenských Mochovců se objevují otázky, zda má smysl v této stavbě pokračovat. Příklady z domova i ze zahraničí nám ukazují, že i elektrárny, které museli projektanti nosit v hlavě déle, než původně plánovali, si vždy získaly své místo ve výrobě energie a své dokončení si zpětně obhájily.

Kov nad všechny smaragdy

O třetinu lehčí než hliník, mimořádně tvrdý, tuhý a přitom velmi pevný kov. Beryllium, z pohledu chemiků „otec“ žádaného šperkařského minerálu smaragdu, je právem považováno za kov budoucnosti. Má své nezastupitelné místo v kosmických technologiích, palivových tyčích v reaktorech jaderných elektráren, urychlovačích částic. Z jeho slitin s mědí se vyrábí téměř nezničitelné nářadí, ale také žesťové nástroje. Příměsi beryllia najdeme v podmořských internetových kabelech nebo v bateriích mobilních telefonů.

S uranem v podpalubí

V březnovém vydání MM Průmyslového spektra jsme publikovali článek pod názvem Jaderné ledoborce pro Severní cestu. Jelikož tento text vzbudil zájem řady čtenářů, rozhodli jsme se na toto téma připravit další podrobnější příspěvek.

Úspory naruby - Obraťme toky řek

Při útlumu uhelných a jaderných elektráren a s nárůstem podílu obnovitelných zdrojů energie, především slunce a větru, nastal problém s přenosem a akumulací jejich elektrického výkonu mimo špičku zatížení elektrizační sítě. Tento problém však mohou i v Česku do značné míry a levně vyřešit stávající vodní díla (přehrady, jezy a hráze včetně turbín a kanálů a regulací) s využitím stávající přenosové soustavy.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit