Streng genommen ist „Strahlung“ – also das Ergebnis von Radioaktivität – nicht nur eine Sache.

Es gibt (am häufigsten) die folgenden Arten von Strahlung, die das Ergebnis von Radioaktivität sein können und die uns in diesem Zusammenhang interessieren:

• Alphastrahlung (Helium Atomkern)
• Neutronenstrahlung (Neutronen)
• Betastrahlung (Elektronen)
• Gammastrahlung (Photonen)

Das Wort Ernte ist auch nicht angebracht, Geschirr funktioniert besser.

Ein thermoelektrischer Generator würde als direkte Technologie gelten, ebenso wie jede andere Form der „EM-Strahlung zu Elektrizität“-Technologie. Viele verschiedene Dinge sind auf unterschiedliche Weise radioaktiv. Der Grund, warum wir Spaltungsreaktoren so konstruieren, ist, dass sie die effizienteste Art sind, Elektrizität/Energie aus den Substanzen zu gewinnen. (z. B. Wärme verwenden, um Dampf zu erzeugen, Dampf für mechanische Energie verwenden, Energie in Elektrizität umwandeln.)

Die Energie der verschiedenen Formen nuklearer Strahlung "direkt zu ernten" wird schrecklich ineffizient sein, was bedeutet, dass Sie viel mehr davon benötigen werden. Das bedeutet, dass all das Zeug, das Sie nicht ernten, alles in der allgemeinen Umgebung töten wird.

Neutronen sind notorisch schwer zu kontrollieren und sehr gefährlich, wenn sie mit den Energien herumfliegen, die bei Spaltungsreaktionen beobachtet werden. Gammas machen auch keinen Spaß.

Möglich, ja. Praktisch, nein – es sei denn, die Definition der direkten Konvertierung ist weit gefasst.

Angesichts Ihrer Frage muss ich davon ausgehen, dass jeder Prozess, der mit Dampfturbinen Wärme in Strom umwandelt, nicht zählt. Andere haben vorgeschlagen, dass RTG-Geräte direkt sind. Ich würde es nicht tun und vermute, Sie würden es nicht tun, da dies einfach eine andere Form von Wärmekraftmaschine ist.

Was sind die möglichen Produkte des radioaktiven Zerfalls? Alphateilchen, Betateilchen, Gammastrahlen, Neutrinos, Neutronen. Gelegentlich kann es auch zu spontaner Spaltung oder Cluster-Zerfall kommen.

Neutrinos sind nutzlos, weil sie so schwach mit anderer Materie interagieren.

Gamma sind Photonen, typischerweise in der Größenordnung von 100 keV, obwohl dies stark variiert. Als Photonen können sie über den Photoeffekt direkt in Strom umgewandelt werden. Sie sind jedoch nicht gut für standardmäßige fotoelektrische Tafeln geeignet. Blaues Licht hat eine Energie von etwa 3 eV, typischerweise ist der Gammazerfall über 1000-mal so energiereich, die Effizienz wäre bestenfalls kleiner als 0,1 Prozent, wahrscheinlicher kleiner als 0,001 Prozent bei Verwendung einer Standardzelle. Da es beim photoelektrischen Effekt darum geht, Elektronen loszuschlagen, wird es kein alternatives Material geben, das zu effizienten photovoltaischen Zellen führt, die bei niedriger Spannung arbeiten. Hochspannungsfotozellen könnten möglich sein, würden aber sicherlich viel Ingenieursarbeit erfordern, um praktikabel und effizient zu werden. Da die einzige Verwendung für Hochspannungszellen die Erfassung des Gammazerfalls wäre, eine solche Forschung wird im Allgemeinen nicht nützlich sein. Die Dicke des Kernmaterials wäre ein direkt negativer Effizienzeffekt – wie später diskutiert wird.

Partikelemissionen können als geladene Partikel oder ungeladene Partikel klassifiziert werden. Ungeladene Teilchen sind im Wesentlichen sehr kleine Kugeln. Stellen Sie sich nun vor, einen elektrischen Generator zu betreiben, der darauf basiert, von winzigen Kugeln getroffen zu werden, die mehr oder weniger zufällig in alle Richtungen abgefeuert werden. Neutrale Teilchen sind bestenfalls extrem schwierig direkt in Elektrizität umzuwandeln, da dies erfordern würde, die Kinetik auf irgendeine Weise direkt zu erfassen, um eine direkte Umwandlung zu erreichen.

Geladene Teilchen haben ein etwas besseres Ergebnis. Angenommen, Sie haben eine Quelle, die ständig Elektronen emittiert, Sie könnten ein Kupferziel haben, das diese Partikel sammelt und so elektrischen Strom liefert. Der Wirkungsgrad wäre immer noch schrecklich (viel weniger als 1%), da Sie weder die kinetische Energie des Betateilchens noch die damit verbundenen radioaktiven Produkte, z. B. den Gammazerfall, direkt erfassen.

Es gibt einen zusätzlichen Effekt, der direkt sein könnte. Richten Sie Fotozellen ein, um das mit Tscherenkow-Strahlung verbundene blaue Leuchten einzufangen. Der Wirkungsgrad liegt weit unter 1 %. Ob dies eine direkte Konvertierung ist, ist fraglich.

Für eine groß angelegte praktische Energiequelle müssen Sie wirklich auf Th-232, U-235 oder U-238 oder K-40 basieren, da dies die einzigen langfristigen Radioisotope in Hülle und Fülle auf diesem Planeten sind. K-40 ist eine sehr schlechte Wahl, da es nicht spaltbar oder fruchtbar ist, Beta-Zerfall ist weit weniger energiereich als Spaltung. Als Betastrahler kann es keine Kettenreaktionen auslösen, daher ist die Leistungsdichte sehr sehr gering. U-235 ist aufgrund seiner relativ geringen Häufigkeit ebenfalls eine schlechte Wahl, aber da es das einzige natürlich vorkommende spaltbare Isotop in irgendeiner Häufigkeit ist, ist es unter diesem Gesichtspunkt recht attraktiv. Allen anziehenden Isotopen ist gemeinsam, dass sie spaltbar bzw. fruchtbar sind und somit an Kettenreaktionen teilnehmen können, die für eine hohe Leistungsdichte notwendig sind. Die Schwierigkeit der direkten Umwandlung in Elektrizität erklärt, warum jedes System auf dem Antrieb einer Wärmekraftmaschine basiert.

Eine zusätzliche Komplikation bei den direkten Methoden. Wenn Ihr Kernmaterial nicht extrem dünn ist - im atomaren Maßstab -, interagiert die Strahlung sehr wahrscheinlich mit dem Rest des Kernmaterials und beendet die Chance, das freie Elektron, das Gammateilchen usw. einzufangen, da es im Kernmaterial größtenteils in Wärme umgewandelt wird selbst.

Ja, Sie brauchen nur eine davon:

Das ist ein Bild einer Solarzelle, die eine phänomenale Arbeit leistet, indem sie Sonnenstrahlung in Elektrizität umwandelt. Konkret wandelt es einfallende elektromagnetische Strahlung in Strom um. Während Solarzellen speziell für die von der Sonne abgegebene Strahlung ausgelegt sind, könnte eine ähnliche Technologie verwendet werden, um Energie aus anderen Strahlungsquellen zu gewinnen.

Die Umwandlungsrate hängt natürlich von der Art der Strahlung ab, die Sie ernten. EM-Strahlung, die den optimalen Frequenzen des Photovoltaik-Arrays entspricht, hat Konversionsraten von annähernd 50 %, während etwas, das eine große Menge an Beta-Partikeln abgibt, einen ganz anderen Ansatz erfordert.

Ja!

(Obwohl sie noch nicht sehr effizient sind.)

Hier ist ein aktuelles Übersichtspapier über „nicht-thermische Umwandlungs-Kernbatterien“, die darauf abzielen, ionisierende Strahlung direkt in elektrische Energie umzuwandeln.

Dementsprechend beträgt die derzeitige Umwandlungseffizienz im Labor etwa 2 % , aber dieses Papier sagt, dass Zahlen von bis zu 10 % hoffentlich machbar sind. Im Fall von Sr90 würde dieser Wirkungsgrad von 10 % ungefähr 70 mW/g spaltbares Material ergeben, wodurch die gesamte Baugruppe in Bezug auf Leistung pro Gewicht ungefähr auf Augenhöhe mit Alkalibatterien (Doppel-As) wäre.

Das Papier behauptet, dass Kernbatterien viel länger halten als herkömmliche Batterien und am Ende Geld sparen, weil sie nicht ersetzt werden müssen.

Dieses Konzept ist nicht neu. Ein alter Kollege erzählte mir von einem Projekt aus den 60er Jahren, das dasselbe versuchen wollte. Wir sind jetzt weiter, aber noch nicht sprunghaft. Unabhängig davon könnten langlebige Atombatterien in einer nahen Zukunftsgeschichte einen großartigen Mechaniker darstellen.

Verwenden Sie einen Spaltfragmentreaktor .

... ein Spaltfragmentreaktor ist ein Kernreaktor, der Strom erzeugt, indem er einen Ionenstrahl von Spaltnebenprodukten abbremst, anstatt Kernreaktionen zur Erzeugung von Wärme zu verwenden. Dadurch umgeht es den Carnot-Kreisprozess und kann Wirkungsgrade von bis zu 90 % statt 40-45 % erreichen, die durch effiziente turbinengetriebene thermische Reaktoren erreichbar sind. Der Spaltfragment-Ionenstrahl würde durch einen magnetohydrodynamischen Generator geleitet, um Strom zu erzeugen.

Es kann auch als Rakete mit hohem ISp dienen, indem der Strahl selbst als Reaktionsmasse verwendet wird.

Nun, Betastrahlung sind Elektronen, die mit hoher Energie weggesprengt werden. Dadurch bleibt das Material positiv geladen, und die Elektronen können auf elektrische Weise mit anderem Material wechselwirken.

Tatsächlich wird das in gewissem Sinne von Rauchmeldern verwendet.

Wenn „Elektrizität“ bedeutet, dass durch eine Potentialdifferenz ein Stromfluss durch eine Last bewirkt wird, dann zählt sicherlich die – ganz direkte – Erzeugung einer Ladungstrennung.

Ich denke, was er fragt, ist, ob die Zunahme der Entropie, wenn ein Atom (ein Atomkern) in den Grundzustand übergeht, irgendwie genutzt werden kann, um ein elektrisches Feld zu erzeugen – voila, eine direkte Stromquelle. In der Praxis bedeutet dies wenig bis gar keine Wärme (abzüglich der Wärme, die durch den Widerstand in leitenden Materialien erzeugt wird). Wenn so etwas entdeckt werden könnte, wäre das Ende unseres Energiebedarfs nahe.

Dies ist praktisch für Anwendungen, die bei niedrigem Strom / Leistung nicht zugänglich sind - denken Sie an einen CR2032, bevor wir Lithium-Knopfzellen hatten, an einem Ort, an dem Sie nicht einfach die Batterie wechseln können. Die verwendete Technik ist Betavoltaik , bei der ein Betastrahler (z. B. eine Tritiumkapsel oder eine versiegelte Kalium-40-Schicht) auf Silizium-Solarfelder auftrifft. Die beteiligten Spannungen und Ströme sind eher niedrig (wenige hundert Mikrowatt bis einige Milliwatt Leistung je nach Größe), sind aber aufgrund der mehr als zehnjährigen Halbwertszeit von Tritium oder der weitaus längeren Halbwertszeit von beispielsweise Kalium langfristig vorhersehbar -40.

Ja, aber nur für einige Arten von Strahlung und es erfordert ein großes Gerät. Zumindest, wenn diese Idee der Farnsworth Fusor-Bastler richtig ist:

Wenn Sie eine Quelle hochenergetischer geladener Teilchen haben (für Fusoren die Fusionsreaktion; für Sie Alpha- oder Betaquellen), können Sie sie in einem elektrischen Feld verlangsamen. Stellen Sie das elektrische Feld so ein, dass die geladenen Teilchen gerade noch gestoppt werden. Sie können den Strahlungsstrom effizient mit der Spannung extrahieren, die Sie zum Stoppen der Strahlung benötigen (dies erfordert eine nahezu konstante Emissionsenergie, was die verwendbaren Strahlungsquellen weiter einschränkt).

Angesichts typischer Strahlungsenergien und der Schwelle von 3 MV/m, bei der Luft aufhört, ein Isolator zu sein, gibt es eine ziemlich große Mindestgröße für ein solches System, unabhängig davon, wie wenig Leistung Sie wollen.

RTGs (wie von Nicky erwähnt) können Thermoelemente verwenden . Radioaktiver Zerfall erzeugt Wärme, Wärme wird in elektrische Energie umgewandelt. Die Effizienz ist gering, aber die Ausdauer ist hoch.

Ja, aber Sie erhalten viel Spannung, aber einen extrem kleinen Strom.

Nehmen Sie einen Draht, beschichten Sie ein Ende mit etwas, das einem Beta-Zerfall unterliegt. Beschichten Sie den anderen mit etwas, das einem Alpha-Zerfall unterliegt. Sie benötigen doppelt so viele Becquerel des Betastrahlers wie des Alphastrahlers.

Das funktioniert, aber es nützlich zu machen, ist eine andere Sache ...

Mit derzeit bekannten Verfahren möglich? Nein.

überhaupt möglich? Vielleicht hängt es nur davon ab, dass es etwas gibt, von dem wir derzeit nichts wissen.

Denken Sie daran, dass eine erstaunliche Menge an Stromerzeugung durch den 1831 entdeckten elektromagnetischen Induktionsprozess erfolgt. Die meisten der seitdem erzielten Fortschritte waren im Grunde bessere/andere Möglichkeiten, einen Magneten durch eine Spule oder eine Spule um einen Magneten zu bewegen.

Übrigens wurden 1821 Thermokopplungseffekte und 1839 die Photovoltaik entdeckt. Genau das wäre wirklich ein Durchbruch auf diesem Gebiet. Die Entfernung der Prozesse der Wärmeübertragung und der Turbinen würde den Energieverlust und den Platzbedarf drastisch reduzieren.

https://www.google.com/amp/s/www.newscientist.com/article/dn13545-nanomaterial-turns-radiation-directly-into-electricity/amp/

Schlägt vor, dass bei richtiger Anwendung von Schlüsselmaterialien ein einzelnes Teilchen den Fluss von viel mehr Elektronen aus dem Substrat auslösen kann. Forschung wird zu vielen, großartigen Verbesserungen führen.

Einen solchen Generator können Sie leicht aus einem Material bauen, das Alphastrahlung erzeugt: Alphastrahlung bedeutet, dass das Material doppelt positive Heliumionen ausspuckt. Diese Ionen haben sehr hohe kinetische Energien, meist im Bereich von mehreren MeV (Mega-Elektronen-Volt). Und die meisten Strahler haben eine ganz bestimmte Energie, mit der sie strahlen . Alle von Material A emittierten Alpha-Teilchen können also eine Energie von 2,7 MeV haben, während alle Alpha-Teilchen von Material B eine Durchschlagskraft von 4 MeV haben.

Dies ist perfekt für Ihren Generator. Denn wenn ein Alphateilchen (doppelt geladen!) einen elektrischen Leiter mit 4 MeV verlässt und sich auf einen anderen Leiter mit einer elektrostatischen Ladung von 2 MV (Megavolt!) zubewegt, hat es seine gesamte kinetische Energie an das elektrische Feld verloren.

Alles, was Sie also tun müssen, ist: Legen Sie eine dünne Platte des richtigen radioaktiven Materials zwischen zwei Metallplatten, evakuieren Sie den Raum dazwischen und wandeln Sie die resultierende elektrische Leistung von 2 MV in eine nutzbare Spannung herunter. Die gesamte Baugruppe verhält sich ziemlich ähnlich wie eine 2-MV-Batterie , deren Spannung etwas abnimmt, wenn Sie etwas Strom daraus ziehen. Der komplexeste Teil wird der Stromrichter sein.

Offensichtlich setzt das elektrische Potential von 2 MV der Größe der gesamten Baugruppe eine untere Grenze: Wenn Sie es zu klein machen, bekommen Sie nur Funken ...

Die einzige Möglichkeit, „Elektrizität“ zu erzeugen, besteht darin, einen „Permanentmagneten“ in einer zylinderförmigen Kupferspule zu drehen. Die für die Rotation benötigte mechanische Energie wird von potentiellen/kinetischen/ und meistens Wärmekraftmaschinen bereitgestellt. Leider haben Wärmekraftmaschinen einen niedrigen Wirkungsgrad, sagen wir 30% ... Die Spannungstransformation für die Verteilung + der elektrische Widerstand und die Kapazität des Stromnetzes "konfiszieren" eine große Menge Strom ... Wo ist also der Ausweg? Dabei ist Strom nicht "Energie". Wir können es nicht direkt speichern. Es ist „Arbeit“ im physischen Sinne. Stellen Sie sich nur die einfachste Situation vor: Wir drehen einen Generator mit einem Mühlrad. Der mit dem Generator gekoppelte Elektromotor überträgt die mechanische Energie auf die Maschine ... Also, welche Art von Energie macht die Arbeit?