Jaderné baterie

Již v 50. letech 20. století byla betavoltaika — technologie pro získávání energie beta záření — považována vědci za základ pro vytváření nových zdrojů energie v budoucnosti. Dnes existují skutečné důvody pro sebevědomé tvrzení, že použití řízených jaderných reakcí je ze své podstaty bezpečné. Desítky jaderných technologií už lidé využívají v běžném životě, jako jsou radioizotopové detektory kouře.

V březnu 2014 tedy vědci Jae Kwon a Bek Kim z University of Missouri, Kolumbie, USA reprodukovali první funkční prototyp na světě kompaktního zdroje energie založeného na stronciu-90 a vodě. V tomto případě je role vody energetickým nárazníkem, což bude vysvětleno níže.

Jaderná baterie bude fungovat roky bez údržby a bude schopna vyrábět elektřinu díky rozpadu molekul vody při jejich interakci s beta částicemi a dalšími produkty rozpadu radioaktivního stroncia-90.

Výkon takové baterie by měl plně postačovat k pohonu elektromobilů a dokonce i vesmírných lodí.Tajemství nového produktu spočívá v kombinaci betavoltaiky a docela nového fyzikálního trendu — plazmonových rezonátorů.

Plazmony byly v posledních letech aktivně využívány při vývoji specifických optických zařízení, včetně ultraúčinných solárních článků, zcela plochých čoček a speciálních tiskařských barev s rozlišením mnohonásobně vyšším, než je citlivost našich očí. Plazmonické rezonátory jsou speciální struktury schopné jak absorbovat, tak emitovat energii ve formě světelných vln a ve formě jiných forem elektromagnetického záření.

Dnes již existují radioizotopové zdroje energie, které přeměňují energii rozpadu atomů na elektřinu, ale to se neděje přímo, ale prostřednictvím řetězce mezilehlých fyzikálních interakcí.

Tablety radioaktivních látek nejprve zahřejí tělo nádoby, ve které se nacházejí, následně se toto teplo pomocí termočlánků přemění na elektřinu.

V každé fázi přeměny se ztrácí obrovské množství energie; z toho účinnost takových radioizotopových baterií nepřesahuje 7 %. Betavoltica se dlouho v praxi nepoužívá kvůli velmi rychlé destrukci částí baterie radiací.

Nakonec vědci našli způsob, jak přímo transformovat uvolněnou energii spolu s produkty rozpadu nestabilních atomů. Ukázalo se, že beta částice (elektrony, jejichž rychlost je při rozpadu atomu dostatečně vysoká) jsou schopny rozkládat molekuly vody na vodík, hydroxylový radikál a další ionty.

Výzkum ukázal, že tyto rozpadlé části molekul vody mohou být použity k přímé extrakci energie, kterou absorbují v důsledku srážek s beta částicemi.

Aby vodní jaderná baterie fungovala, je potřeba speciální struktura stovek mikroskopických sloupců oxidu titaničitého pokrytá platinovým filmem, tvarem podobná hřebenu. V jeho zubech a na povrchu platinové skořápky je mnoho mikropórů, kterými mohou naznačené produkty rozkladu vody pronikat do zařízení. Během provozu baterie tedy v „hřebenu“ probíhá řada chemických reakcí — dochází k rozkladu a tvorbě molekul vody, přičemž vznikají a zachycují se volné elektrony.

Energie uvolněná během všech těchto reakcí je absorbována "jehlami" a přeměněna na elektřinu. Díky plazmonům objevujícím se na povrchu pilířů se speciálními fyzikálními vlastnostmi dosahuje taková voda-jaderná baterie své maximální účinnosti, která může být 54 %, což je téměř desetkrát více než klasické radioizotopové zdroje proudu.

Zde použitý iontový roztok je velmi obtížné zmrazit i při dostatečně nízkých okolních teplotách, což umožňuje používat baterie vyrobené novou technologií pro pohon elektrických vozidel a, jsou-li správně zabaleny, také v kosmických lodích pro různé účely.

Poločas rozpadu radioaktivního stroncia-90 je přibližně 28 let, takže jaderná baterie Kwona a Kima může fungovat bez výrazných energetických ztrát po několik desetiletí, se snížením výkonu pouze o 2 % ročně.Vědci tvrdí, že takové parametry otevírají jasnou vyhlídku na všudypřítomnost elektrických vozidel.