Nucleaire batterijen
Al in de jaren vijftig werd bètavoltaïsche energie - een technologie voor het extraheren van de energie van bètastraling - door wetenschappers beschouwd als de basis voor het creëren van nieuwe energiebronnen in de toekomst. Tegenwoordig zijn er echte redenen om vol vertrouwen te beweren dat het gebruik van gecontroleerde kernreacties inherent veilig is. Tientallen nucleaire technologieën worden al door mensen in het dagelijks leven gebruikt, zoals radio-isotopen rookmelders.
Dus in maart 2014 reproduceerden wetenschappers Jae Kwon en Bek Kim van de Universiteit van Missouri, Columbia, VS 's werelds eerste werkende prototype van een compacte stroombron op basis van strontium-90 en water. De rol van water is in dit geval een energiebuffer, die hieronder wordt toegelicht.
De nucleaire batterij zal jarenlang zonder onderhoud werken en zal elektriciteit kunnen produceren door de afbraak van watermoleculen die interageren met bètadeeltjes en andere vervalproducten van radioactief strontium-90.
Het vermogen van zo'n batterij zou volledig voldoende moeten zijn om elektrische voertuigen en zelfs ruimteschepen van stroom te voorzien.Het geheim van het nieuwe product ligt in de combinatie van bètavoltaïsche cellen en een vrij nieuwe natuurkundige trend: plasmon-resonatoren.
Plasmonen worden de laatste jaren actief gebruikt bij de ontwikkeling van specifieke optische apparaten, waaronder ultra-efficiënte zonnecellen, volledig platte lenzen en speciale drukinkt met een resolutie die vele malen hoger is dan de gevoeligheid van onze ogen. Plasmonische resonatoren zijn speciale structuren die zowel energie kunnen absorberen als uitzenden in de vorm van lichtgolven en in de vorm van andere vormen van elektromagnetische straling.
Tegenwoordig zijn er al radio-isotoop-energiebronnen die de energie van het verval van atomen omzetten in elektriciteit, maar dit gebeurt niet rechtstreeks, maar via een keten van intermediaire fysieke interacties.
Eerst verwarmen de tabletten met radioactieve stoffen het lichaam van de container waarin ze zich bevinden, vervolgens wordt deze warmte door middel van thermokoppels omgezet in elektriciteit.
In elke fase van de omzetting gaat een enorme hoeveelheid energie verloren; hiervan is de efficiëntie van dergelijke radio-isotopenbatterijen niet hoger dan 7%. Betavoltica wordt in de praktijk al lang niet meer gebruikt vanwege de zeer snelle vernietiging van batterijonderdelen door straling.
Onderzoek heeft aangetoond dat deze vergane delen van watermoleculen kunnen worden gebruikt om direct de energie te onttrekken die ze absorberen als gevolg van botsingen met bètadeeltjes.
Om de waterkernbatterij te laten werken, is een speciale structuur nodig van honderden microscopische kolommen van titaniumoxide bedekt met een platinafilm, vergelijkbaar met de vorm van een kam. In zijn tanden en op het oppervlak van de platina-schaal bevinden zich veel microporiën waardoor de aangegeven producten van waterafbraak in het apparaat kunnen doordringen. Dus tijdens de werking van de batterij vinden er een aantal chemische reacties plaats in de "kam" - de ontbinding en vorming van watermoleculen vindt plaats, terwijl vrije elektronen ontstaan en worden opgevangen.
De energie die vrijkomt bij al deze reacties wordt geabsorbeerd door de "naalden" en omgezet in elektriciteit. Vanwege de plasmonen die op het oppervlak van de pilaren verschijnen en speciale fysieke eigenschappen hebben, bereikt zo'n water-nucleaire batterij zijn maximale efficiëntie, die 54% kan zijn, wat bijna tien keer hoger is dan klassieke radio-isotoopstroombronnen.
De hier gebruikte ionische oplossing is erg moeilijk te bevriezen, zelfs bij voldoende lage omgevingstemperaturen, waardoor het mogelijk wordt om batterijen die met de nieuwe technologie zijn gemaakt te gebruiken voor het aandrijven van elektrische voertuigen en, mits goed verpakt, ook in ruimtevaartuigen voor verschillende doeleinden.
De halfwaardetijd van radioactief strontium-90 is ongeveer 28 jaar, dus de nucleaire batterij van Kwon en Kim kan tientallen jaren zonder significant energieverlies werken, met een vermogensvermindering van slechts 2% per jaar.Wetenschappers zeggen dat dergelijke parameters een duidelijk vooruitzicht bieden op de alomtegenwoordigheid van elektrische voertuigen.