Jaderné baterie využívají jako zdroj energie rozpad radioaktivních izotopů. Jsou jednorázové, energie je v nich uložená ve značné hustotě a mohou mít extrémně dlouhou výdrž. První zařízení tohoto typu pochází z roku 1913. Od té doby vznikla celá řada rozmanitých typů těchto baterií, včetně radioizotopových termoelektrických generátorů (RTG), které létají na palubě sond do hlubin Sluneční soustavy. Přesto je ale stále co vymýšlet a stále se objevují nové pozoruhodné technologie jaderných baterií.
Odborníci britských UK Atomic Energy Authority (UKAEA) a University of Bristol nedávno vyvinuli první jadernou baterii, která má diamantový obal a jako zdroj energie využívá radioaktivní izotop uhlík-14, důvěrně známý v roli hlavního hrdiny radiokarbonového datování. Díky tomu vznikla baterie, která má potenciál vydržet v provozu tisíce let.
Podle tvůrců tyto baterie nabízejí průlomové aplikace. Baterie v diamantovém obalu jsou biokompatibilní, takže je lze bez obav používat v medicínských zařízeních, jako jsou třeba oční implantáty, naslouchátka nebo kardiostimulátory. Baterie s extrémně dlouhou výdrží by ušetřily pacienty nepříjemných zákroků.
Diamantové baterie je rovněž možné využívat v extrémních prostředích, jak na Zemi, tak i ve vesmíru, v nichž mají tradiční baterie problémy. Tyto baterie mohou třeba napájet radiofrekvenční identifikátory, které slouží pro sledování nejrůznějších nákladů nebo komponent, klidně dlouhé desítky let. Jejich použití snižuje náklady a prodlužuje životnost daných zařízení.
Jak říká Sarah Clarková, ředitelka Tritium Fuel Cycle v UKAEA, diamantové baterie nabízejí bezpečnou a udržitelnou možnost dodávat elektřinu na úrovni mikrowattů nepřetržitě po velmi dlouhou dobu. Tyto baterie využívají malé množství uhlíku-14, jehož poločas rozpadu činí cca 5 700 let. Fungují vlastně podobně jako solární panely, které konvertují světlo na elektřinu. Jen namísto fotonů světelného záření využívají elektrony generované beta rozpadem uhlíku-14.
Video: Diamonds are forever? Making The World's First Carbon 14 Diamond Battery
Literatura
Nanodiamantové jaderné baterie by mohly změnit svět
Autor: Stanislav Mihulka (26.08.2020)
K čemu všemu se můžou hodit nanodiamanty?
Autor: Vladimír Wagner (28.08.2020)
Diamantové baterie s jaderným odpadem mohou napájet umělé neurony
Autor: Stanislav Mihulka (31.05.2022)
Diamantová jaderná baterie od čínského Betavoltu vydrží 50 let
Autor: Stanislav Mihulka (17.01.2024)
Mikrojadernou baterii pohání polymerový krystal se špetkou americia
Autor: Stanislav Mihulka (20.09.2024)
Diskuze:
Energetická hustota
F M,2024-12-12 19:47:15
Snažil jsem se něco najít, nejlepší je asi toto:https://www.bristol.ac.uk/cabot/what-we-do/diamond-batteries/
Z 1g čistého C14 se prý dá dostat 15 joulů za den (jestli jsem se neuklep cca 0,1mW/gram) s tím ne/poklesem z poločasu rozpadu cca 6kilolet. Samozřejmě bude třeba to ještě rozředit a přidat nějaké komponenty.
Obecněji krátké https://en.wikipedia.org/wiki/Diamond_battery
Kvituji
D@1imi1 Hrušk@,2024-12-07 12:54:37
Kvituji, že se tento typ baterií přestal dávat do souvislosti s napájením mobilů a podobné elektroniky :-) Na to mikrowatty zdaleka nestačí.
Re: Kvituji
Petr Mikulášek,2024-12-07 18:21:58
Zase na druhou stranu, předpokládejme, že kardiostimulátor práskne do svalu 30 mA po dobu řekněme 20 ms, tak potřebuje náboj 0.6 µC. Z baterky, která dá trvale 10 µA, se to bude nabíjet 60s za předpokladu, že kardiostimulátor má nulovou vnitřní spotřebu při kontrole činnosti. A že napětí článku odpovídá tomu, co se střelí do svalu, jinak se čas hodně prodlouží o rozdíl napětí a ztráty na měniči, Potřebuješ těch impulsů 10 v řadě a za tři minuty repete, pacoši? Smolíček,..
A výdrž 6000 let? koho to v medicínské aplikaci zajímá, když pacoš dostane budík řekněme v 35ti a dožije se 80? Tam by byla fajn výdrž do cca 80 let, ať je rezerva, ale se schopností rychle a opakovaně dodat výkonový impuls, kdy je potřeba a ne když si zrovna něco po dlouhé době nasyslí.
U identifikace zboží je to o něčem jiným. Tam je potřeba to číslo poslat ve chvíli, kdy nás to zajímá a je poblíž čtečka nebo vhodný podmínky pro šíření na přijímač. Síla vysílanýho signálu totiž slábne klasicky se čtvercem vzdálenosti. To znamená být na příjmu. Přijímač, který měl být na příjmu s minimálním odběrem 24/7 a zareagovat v případě potřeby odpovědí, při životě z CR2032, jsem řešil v minulé práci a - on se ten laděný oscilátor s fázovým závěsem a LNAčko do mikrowattů prostě nedal dostat a skončilo to mnohem větší baterkou. Takže přerušovaný příjem, na vysílání není šťáva.
Když s takovým zdrojem chce vysílat, nesmí přijímat, aby nabil kondíky. A takhle naslepo by to muselo hodit o 2-6 řádů větší výkon, než má baterka, aby se to dalo na rozumnou vzdálenost dál od čtečky zachytit.
Zlatý RFID / NFC z cívkou jako anténou, ve které se na principu trafa indukuje proud, ten se usměrní, nabije kondík a z toho se pak stejnou cívkou pošlou data.
A pokud se u takové spotřeby objeví něco, co z toho vyžije, tak je lepší použít fotoelektrický jev (standard u kalkulaček), termoelektrický nebo piezoelektrický jev u senzorů, rotující magnet s cívkou u průtokoměru,...Dá to obvykle o několik řádů víc energie a za o několik řádů menší peníz.
Re: Re: Kvituji
Petr Pavlata,2024-12-07 20:10:12
Ono by se asi dalo vymyslet i vyšší, výkony, nějaký výrazně rychleji se rozpadající materiál, navrstvený v nějaké beta-voltaicke polovodičové struktuře.
Z hlavy to spočítat neumím, ale třeba větší desítky mW by se vymyslet dali.
Problémy jsou jinde:
- regulátoři těžko pustí nějaké běžně masové prudukty
- bezpečnost - myslm, že čistě fyzická bezpečnost je v pohodě, ale je mezi námi hodně blbů, kteří by s tím zacházeli špatně
- cena - z principu by to muselo využívat umělé prvky. Tzn. drahou a hodně omezenou výrobu, i kdyby šlo o nějaký odpadový produkt
Ale mít třeba 50mW@30 let by byla pecka, to už opravdu aspiruje na mobil, který se nemusí nikdy nabíjet...
Re: Re: Re: Kvituji
D@1imi1 Hrušk@,2024-12-07 21:35:20
Mobil je zastaralý už po pár letech, baterka na 30 let je tudíž zbytečnost, i kdyby ji někdo uměl vyrobit. A na smartphone je 50 mW pořád málo, i kdyby měl v sobě vyrovnávací akumulátor. Při běžném používání byste stejně musel dobíjet. 50 mW za 24h dá 1,2 Wh. Baterka v mém smartphonu má asi 12 Wh a vydrží asi 2 dny. Kdybych ji spořil, tak možná 4 dny. Takže i kdybych ten smartphone skoro nepoužíval, musel bych 3/5 energie brát ze sítě.
50 mW by stačilo na pager nebo chytré hodinky. A musel by to nejdřív někdo umět vyrobit.
Re: Re: Re: Kvituji
Petr Mikulášek,2024-12-07 21:35:59
Přesně tak. Na stejnou hmotnost se dostane dvojnásobný výkon ve chvíli, kdy je poloviční poločas rozpadu. A to chce jiný izotop - a cokoliv s poločasem rozpadu v desítkách let, co bylo v přírodě, už se rozpadlo a je potřeba to za těžký prachy vyrobit uměle. A pak tam můžou být, mimo cenu a regulace, další problémy - gama zářič v rozpadové řadě, toxicita,...
Ani těch 50 mW by pro mobil nebyla moc výhra. Výkon takové baterky se řídí aktivitou izotopu, ne momentální spotřebou. Když ten mobil vypnu a bude mít pár desítek µA, tak bude energie přebytek a mobil by hřál. A naopak při volání je potřeba 5-6 W vysílacího výkonu a tam taková baterka pohoří, pokud u ní nebude ještě sekundární akumulátor.
Re: Re: Re: Re: Kvituji
Petr Pavlata,2024-12-07 21:44:58
Tak je jasne, ze by to muselo trvale dobijet nejaky dalsi akumulator.
Re: Re: Re: Re: Kvituji
D@1imi1 Hrušk@,2024-12-07 21:50:10
Dodám, že jiný izotop by znamenal zapomenout na tu diamantovou technologii, protože diamant z ničeho jiného než z uhlíku vyrobit nelze.
Spíše by mě zajímalo, jestli by pomocí betavoltaiky šlo prodloužit dobu uchování dat na flash discích a SSD na dobu neurčitou. To by byla zajímavá aplikace.
Re: Re: Re: Re: Re: Kvituji
Petr Mikulášek,2024-12-08 11:09:49
Právě naopak. Dají se s tím dobře skartovat data.
FLASH paměti mají paměťovou buňku tvořenou izolovaným hradlem tranzistoru. Přímo na čipu je zdroj vyššího napětí (nábojová pumpa), která dokáže vybít celou oblast a selektivně nabíjet hradla jednotlivvých tranzistorů. U technologie MLC se navíc používá několik různých úrovní náboje. Rozdíl mezi jedničkou a trojkou je klidně v jednotkách elektronů! Po zásahu ionizujícím zářením je hodně velký riziko změny úrovně... Stačí se podívat na záběry z Fukushimy, kde záření leze na CCD čipy a krásně to zrní. Proto se do prostředí s vyšší radiací dávají starší obvody, kde jsou větší rozměry a větší náboje. Nebo speciály jako FPGA řady RTAX-S a podobný vychytávky.
A už ve škole (UETE FEKT VUT) nás učili, jak se dá použít radiace k transmutacích v polovodičích - po zachycení protonu nebo rozpadu Si po zachycení neutronu. Dají se tak rovnoměrně a do hloubky dopovat polovodiče. Už si to po letech moc nepamatuju, ale je hodně velká šance, že jaderným zářičem ve stejné krabičce dojde k poškození izolace hradla a jeho spojení s obvodem. A to natrvalo a spolehlivě vyřadí celou paměťovou buňku.
Takže polovodiče, a hlavně paměti (= co nejvíc co nejmenších buněk uchovávajících náboj) bych od zdrojů ionizujícího záření držel co nejdál to pude.
Re: Re: Re: Re: Re: Re: Kvituji
D@1imi1 Hrušk@,2024-12-08 12:54:17
K zastavení beta záření stačí 1mm silná vrstva kovu. V tom bych problém neviděl. Jde o to, jestli by zdroj v řádu mikrowattů pomohl, aby data na disku po dvou letech bez napájení nezmizela.
Jinak náhodné poškození jednotlivých buněk se přece řeší pomocí samoopravných kódů. Takže je naopak spolehlivější mít větší množství menších buněk s vyšší redundancí uložených dat.
Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Kvituji
Petr Mikulášek,2024-12-08 13:37:18
Ne k zastavení, ale k utlumení. Vyšší výkon znamená vyšší aktivitu zářiče a jeho vyšší objem. A tím i vyšší pravděpodobnost, že částice projde stejně silným stíněním. Navíc zmenšování paměťových buněk zvyšuje i citlivost na radioaktivitu pozadí.
Když už je buňka FLASH jednou neprogramovaná, tak nepotřebuje napájení. Pořád se drží uložený náboj. Bez ohledu na počet čtení nebo výpadků napájení. Počítá se jenom izolovaný náboj a jeho elektrostatický pole.
U mizení dat by pomohl vyšší náboj na hradle, omezit počet úrovní paměťové buňky (ideálně SLC) a jejich silnější izolace. Takže návrat do minulosti. Pokud bych chtěl kontrolovat chybu v každým bitu, znamenalo by to přidat 50% kapacity + nějakou logiku navíc k tomu, takže to se nemusí moc vyplatit. Technologie s uložením dat v polovodičích na desítky let už tady je dávno a máme na výběr, jestli velkou SD kartu pro přenos z kamery jinam do týdne, nebo menší kapacitu na desítky let.
EPROMky (elektrický zápis a UV mazání) typu M27C64 od ST nemají problém udržet data víc jak 40 let. Konfigurace obvodů GAL16V8 a GAL20V8 dá taky spolehlivě s pětiletou rezervou deklarovaných 20 let (https://youtu.be/e90Q328jVmA?si=MUZwY4EWMQ44iQO7) Problémy dělá jenom ten pokrok k vyšší kapacitě a menší spolehlivosti.
Škoda, že se kvůli ceně nerozšířila technologie FRAM a neinvestovalo se do vývoje vyšších kapacit, to je rychlejší a není potřeba řešit náboj hradla.
Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Kvituji
Petr Pavlata,2024-12-08 23:02:21
"Když už je buňka FLASH jednou neprogramovaná, tak nepotřebuje napájení. "
Není úplně pravda. Sublimuje to pryč. V těch moderních technologiích docela rychle, běžně se s tím setkáváme. Speciálně NAND flash, NORky jsou výrazně lepší. Každý blok má svoje metadata a ECC informace, počítá se s tím, že ta paměť je nespolehlivá.
Firmware disku paměť neustále prochází, detekuje chyby a opravuje je. A počítá statistiku, pokud je nejaký sektor horší, tak ho vyřazuje (výrazně se projeví i jediný atom nečistoty/poškození krystalové mřížky). K opotřebení a selhání buňěk dochází i čtením, ne jen mazáním.
Obecně by to tedy pomohlo, kdyby bylo dost energie na refresh dat. Ale ne navždy, i když četnost selhání buněk má tendenci v čase spíš klesat (postupně se vyřadí ty z výroby neoptimální a zbytek docela drží).
Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Kvituji
Petr Pavlata,2024-12-08 23:04:46
BTW, zrovna FRAM nám selhávají úplně ze všeho nejvíc...
Co se uvnitř stane netuším, ale už máme zařízení, kde je FRAM na modulu, aby to šlo snadno řešit.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
