Sind Alpha- und Beta-Voltaics die Lösung für das Energiespeicherproblem in Scifi?

Bei Scifi gibt es oft das Problem, dass all die ausgefallenen Technologien wie Mechas und Lasguns viel Energie benötigen. Chemische Quellen sind durch die volumetrische und regelmäßige Leistungsdichte begrenzt. Batterien und Kondensatoren noch mehr. Kompakte Fusions-, Spaltungs- und Antimateriegeräte erzeugen problematische Mengen an Abwärme, sind wahnsinnig komplex und gefährlich. Die Verwendung von Tanks mit Kraftwerken, die ihre Roboterschwärme regelmäßig aufladen oder nur konstante Stromkabel haben, ist interessant und machbar, aber ich bin an alternativen Lösungen interessiert.

Alpha- und Beta-Voltaic-Geräte wandeln Teilchenstrahlung direkt in Elektrizität um. Dies sollte bei der Abwärme und den Problemen riesiger Generatoren sehr hilfreich sein. Diese Frage von Physics SE befasst sich mit der Frage, warum wir sie derzeit außerhalb von Niedrigleistungs- und Langzeitoperationen verwenden. Diese Liste der Probleme stammt aus einer Antwort.

  1. Die erzeugte Leistung ist nicht einstellbar. Die Batterie erzeugt Strom mit nahezu konstanter Rate (die mit der Zeit langsam abfällt). Sie kann nicht erhöht werden und wenn sie nicht verbraucht (oder gespeichert) wird, geht die Energie verloren.
  2. Geringe Leistungsdichte. 63Ni zum Beispiel erzeugt ~ 5 W / kg (und kg ist hier nur die Masse an radioaktivem Material, die tatsächliche Batterie wäre mindestens eine Größenordnung schwerer). Natürlich gibt es Isotope mit viel höheren Leistungsdichten, aber sie stoßen auf andere Probleme.
  3. Halbleiterschaden. Wenn wir versuchen, die Leistung durch die Verwendung von Isotopen mit höheren Zerfallsenergien zu erhöhen, stellen wir fest, dass die hochenergetischen Elektronen Halbleiter beschädigen und die Lebensdauer von Batterien auf Zeiten verkürzen, die viel kürzer sind als die Isotopenhalbwertszeit. Insbesondere Alpha-Partikel beschädigen die pn-Übergänge, sodass 238 Pu, obwohl (zum Beispiel) 0,55 W/g Alpha-Strahlung erzeugt, hauptsächlich in thermoelektrischen Schemata und nicht in direkten Energiewandlern verwendet wird.
  4. Gammastrahlung. Viele Isotope haben eine Gammaemission als sekundären Zerfallsmodus. Da diese Art von Strahlung schwer abzuschirmen ist, bedeutet dies, dass die Auswahl der für Batterien verwendbaren Isotope nur auf reine Betastrahler beschränkt ist.
  5. Bremsstrahlung. Das Bremsen von Elektronen erzeugt diese Art von Strahlung, die abgeschirmt werden musste. Auch dies beschränkt unsere Auswahl an Isotopen auf solche mit relativ niedrigen Zerfallsenergien.
  6. Geringes Produktionsvolumen / Wirtschaftlichkeit. Viele Isotope kosten zu viel, um in einer Vielzahl von Anwendungen praktikabel zu sein. Dies erklärt sich teilweise durch das geringe Produktionsvolumen und teilweise durch den Produktionsprozess, der bei allen Mengen kostspielig sein wird, da er eine energieaufwändige Isotopentrennung und spezielle Einrichtungen zum Arbeiten mit radioaktiven Materialien erfordert. Zum Beispiel kostet Tritium (eines der Materialien für die Betavoltaik) etwa 30.000 $ pro Gramm und seine jährliche Weltproduktion beträgt 400 g (aus Wikipedia).
  7. Sicherheit / Vorschriften / Wahrnehmung: 63 Gramm 63Ni stellen mehr als 3500 Curie Radioaktivität dar, was definitiv Vorschriften für die Handhabung erfordern würde und wahrscheinlich nicht in einer einzelnen Einheit für den uneingeschränkten zivilen Gebrauch zugelassen wäre. Wir wissen, dass Betavoltaik bei richtiger Anwendung sicher ist. Aber was ist mit unsachgemäßer Verwendung / unsachgemäßer Entsorgung / Missbrauchspotential? Auf jeden Fall ist die derzeitige Wahrnehmung der Kernenergie durch die breite Öffentlichkeit nicht so gut, so dass die Vermarktung von Kernbatterien eine gewisse Herausforderung darstellen wird.

In der Antwort wird erwähnt, dass technologische Fortschritte bei diesen Problemen helfen könnten. Das sind also die Fortschritte in Bezug auf diese Technologie in meiner Umgebung.

  1. Wählen Sie das richtige Isotop für die Mission. Storytechnisch ist dies eine erstaunliche Spannungsquelle. Darüber hinaus ist es eine Lösung, aufladbare Einheiten mitzuführen, um später in der Mission Energieschübe für bestimmte Anwendungen zu erhalten. Zu Beginn der Mission liegt das Gerät weit über dem normalen Energiebedarf.

  2. "Natürlich gibt es Isotope mit viel höheren Leistungsdichten, aber sie stoßen auf andere Probleme." Das ist toll. Was sind das für andere Probleme? Kann man sie behandeln? Besonders Isotope mit Halbwertszeiten von Stunden, Tagen und Wochen sind für viele Anwendungen interessant.

  3. Da ich mich mehr für leistungsstarke kurzlebige Anwendungen interessiere, ist dies kein großes Problem. Wenn es darauf ankommt, sind Wartung und redundante Systeme die Antwort.

  4. & 5. Fortschrittliche Bio- und Nanotechnologie machten Strahlenschäden viel weniger relevant. Es ist ein Ärgernis, mehr nicht.

  5. Die Fusionsökonomie macht die Energiekosten für die Herstellung geeigneter Isotope viel akzeptabler.

  6. Kritiker der Kernkraft können ihre Probleme mit dem Haupttodesstrahl meines Gundam diskutieren.

Gibt es also irgendwelche anderen Probleme, die die Verwendung von Alpha- und Beta-Voltaics von Waffen-Power-Celks bis hin zu Synthesekten und Mechas verhindern?

Ein typischer Sattelzug hat 500 PS oder 373.000 Watt. Ihre Batterie würde 74,6 Tonnen Isotop und 746 Tonnen Batterie benötigen, um dies herzustellen. Ein Dieselmotor wiegt unter 2 Tonnen. Vielleicht willst du nur einen Diesel in deinem Mech? Außerdem sollten Sie wahrscheinlich Ihr Budget überprüfen. Ich vermute, dass 74,6 Tonnen Radioisotopenbatterie ziemlich teuer sein werden.
@puppetsock Über welches Isotop reden wir? Isotop kann alles von Plutonium bis Tritium bedeuten und es gibt signifikante Unterschiede in Energiedichte und Leistung.
Ich denke, Sie haben das Hauptproblem mit Alpha- und Beta-Voltaics gedeckelt. Sie haben vielleicht eine hohe Spezifische Energie , aber eine niedrige Leistungsdichte , und es gibt keinen praktischen Weg, sie zu umgehen.
Stephens Antwort ist großartig, aber ich wollte Ihre Handbewegung zu Problem Nr. 3 ansprechen - je leistungsstärker Ihre Anwendung, desto schneller würden Halbleiter beschädigt, da Sie viel höhere Zerfallsenergien und die zusätzliche Masse / das zusätzliche Volumen hätten Erfordernis, Redundanz hinzuzufügen, die ausreicht, um damit fertig zu werden, würde die Vorteile verringern/entfernen.
@jdunlop Wenn die Hauptstrahlungsquelle "nur" Alpha- oder Betateilchen wären, ist die Abschirmung nicht allzu schwer zu arrangieren.
@TheDyingOfLight Was meinst du mit "welche Isotope?" Ihre Frage besagt 5 W / kg radioaktives Material, und die Batterie ist zehnmal so groß.
@StarfishPrime - nein, das behandelte Problem ist die Beschädigung der Halbleiter, die von den Beta-Partikeln getroffen werden müssen, um die Leistung zu erzeugen. Sie vor Beta-Emissionen abzuschirmen, würde dem eigentlichen Zweck der „Batterie“ widersprechen.
@jdunlop ahh, richtig. Aber offensichtlich gibt es bereits Betavoltaik, und eine hohe Aktivität impliziert keine höheren Zerfallsenergien. Ein Hochleistungsgerät wird nicht unbedingt selbst toasten. Etwas, das besonders hochenergetische Beta-Partikel erzeugte, konnte die Voltaik selbst dann toasten, wenn seine Aktivität gering war und das Gerät daher ziemlich wenig Energie hatte.
@StarfishPrime - aus dem zitierten Abschnitt im OP: "Wenn wir versuchen, die Leistung durch die Verwendung von Isotopen mit höheren Zerfallsenergien zu erhöhen, stellen wir fest, dass die hochenergetischen Elektronen Halbleiter beschädigen und die Lebensdauer von Batterien auf Zeiten verkürzen, die viel kürzer sind als die Isotopenhalbwertszeit." Isotope mit höherer Energie braten die Halbleiter also schneller als Isotope mit niedrigerer Energie, eines der Hindernisse für die Hochenergie-Betavoltaik, das der Technologie innewohnt.
@jdunlop verwendet dann Materialien mit hoher Aktivität und niedriger Energie, wie ich vorgeschlagen habe, oder nicht halbleiterbasierte Energieextraktionsmechanismen, wie das OP vorgeschlagen hat.

Antworten (2)

TLDR: Dies ist eine leistungsstarke plausible Energiequelle, aber wahrscheinlich nicht so revolutionär, wie sie sein müsste.

Das Problem hier ist die Unterscheidung (und der Kompromiss) zwischen Leistungsdichte und Energiedichte . Um das Beispiel zu verwenden 63 N ich , 63 g Ausgangsmaterial enthalten ein Mol Kerne, von denen jeder schließlich zerfällt und (im Durchschnitt) 17 keV Energie freisetzt. Das ist eine Gesamtenergiedichte von

6 × 10 23   ×   17   ×   1.6 × 10 − 16 ≈ 1.7 × 10 9   J

1,7 Gigajoule sind gut für etwas, das ungefähr das gleiche Volumen wie ein C-Size-Akku hat . Eine Standard-Alkali-C-Batterie kann 8 Ah Ladung bei 1,5 V halten, was einem Gesamtenergieinhalt von 43 kJ entspricht, also hält die Atombatterie 10 5 mal so viel Energie wie eine Standardbatterie. Ein äquivalentes Volumen Benzin wiegt etwa 5 g und enthält 232 kJ chemische Energie; eine äquivalente Masse Benzin enthält 2,7 MJ, also 620-mal weniger als die Atombatterie. Die Tatsache, dass die Nummer 620 nicht riesig ist, ist für diese revolutionäre neue Stromquelle besorgniserregend, da sie, wie beschrieben, mit vielen technischen Herausforderungen verbunden ist.

Diese spezielle Batterie liefert diese Leistung kontinuierlich mit einem exponentiellen Abfall, sodass Sie 90 % davon über dreihundertfünfzig Jahre oder etwa 11 Giga-Sekunden extrahieren können, was die Leistungsdichte wieder auf die beschriebenen Werte (~ 300 mW für der 63-Gramm-C-Size-Akku). Das nützt einem Mecha oder einem Todesstrahl nicht viel: Wir brauchen diese Kraft in einem Zeitrahmen von Stunden oder Tagen, wie Sie sagen. Verschiedene Isotope haben sehr unterschiedliche Halbwertszeiten, aber die Beta-Zerfallsenergie liegt im Allgemeinen in der gleichen Größenordnung; ebenso wie (in der Größenordnung ausgedrückt) die Dichte des Materials. Der Gesamtenergiegehalt der Batterie ist also über verschiedene Nennleistungen hinweg weitgehend ähnlich.

Nehmen wir wohlwollend an, dass wir ein Isotop mit einer Halbwertszeit von 100 Kilosekunden (dh etwas mehr als einem Tag) auswählen können 10 5 mal weniger als 63 N ich , und dass wir alle technischen Herausforderungen im Zusammenhang mit der hunderttausendfachen Leistungssteigerung lösen und dennoch die gesamte Energie (jetzt 30 kW) sicher und effektiv einfangen können. Die resultierende Batterie liefert ungefähr 40 PS für einen Tag, was ausreicht, um den Mercedes Simplex (Produktionsdaten 1902-1909) anzutreiben, und achtzehn davon würden ein Tesla Model S antreiben. Das ist nach jedem objektiven Standard fantastisch ... ist es aber es wirklich revolutionär?

Das klassische „große mechanische Ding“, das einem Mecha am nächsten kommt, ist Bagger 293 , der 14,2-Kilotonnen-Kohlebagger, der extern mit einer 16,3-Megawatt-Versorgung betrieben wird. Um diesen relativ einfachen Mecha mit unseren Atombatterien anzutreiben, brauchen wir eine Bank von etwas mehr als 500 davon mit einem Gewicht von 34 kg. Realistischerweise sollten diese als Brennstoffpellets betrachtet werden, die jeden Tag verbraucht und extrahiert werden, um erneut gereinigt zu werden. 33 kg schrecklich radioaktiver Treibstoff pro Tag sind keine unangemessene Forderung für einen Mecha – es ist eine Kugel mit einem Durchmesser von etwa 20 cm – obwohl wir bei der Betrachtung theoretischer Maxima potenziell mehrere Größenordnungen an Effizienz von Hand weggewunken haben. Aber hauptsächlich übersehen wir, dass wir es schon könnenHolen Sie so viel Energie aus 32 Tonnen Diesel, was für eine Maschine dieser Größe auch keine große Forderung ist und wahrscheinlich viel einfacher zu transportieren, zu handhaben und zu konstruieren ist.

Sie können die Energieabgabe dieser Batterien nicht um 10 ^ 5 erhöhen, unabhängig davon, welches Isotop Sie verwenden. Sie werden schmelzen, lange bevor Sie so viel Energie aus ihnen herausholen. Und die Stromerzeugungsmethoden werden lange vorher gesättigt sein.
Sie könnten es nicht auf dieses Niveau steigern und es in der Form einer Batterie der Größe C halten , nein. Aber indem Sie es in kleinere Pellets zerlegen und in einen Kühlkörper einbetten, können Sie die Wärme kontrollieren (und wahrscheinlich sogar für zusätzliche Energiegewinnung einfangen). Niemand behauptet, dass diese Stromquelle einfach zu handhaben ist :-p

Ich interessiere mich mehr für leistungsstarke kurzlebige Anwendungen

Ihre "Batterien" beginnen sich zu entladen, sobald sie zusammengebaut sind, und haben daher keine nennenswerte Haltbarkeit und sind nicht wiederaufladbar. Um sie herzustellen, braucht man so etwas wie einen Teilchenbeschleuniger oder einen spezialisierten Kernreaktor. Ihre Entladungskurve ist eine exponentielle Zerfallsfunktion, sodass das Bit mit der höchsten Leistung auch das Bit mit der kürzesten Lebensdauer ist und genau an dem Punkt verfügbar ist, an dem das gewünschte Isotop von dem Mechanismus dekantiert wird, der es ursprünglich erzeugt hat. Es bedeutet auch, dass Sie einen anderen Speichermechanismus benötigen, um es für die meisten Zwecke zu glätten.

Kompakte Fusions-, Spaltungs- und Antimateriegeräte erzeugen problematische Mengen an Abwärme, sind wahnsinnig komplex und gefährlich.

Radioaktiver Abfall, der in Energieextraktionsmechanismen eingewickelt ist, ist immer noch radioaktiver Abfall. Hochleistungsstrahlungsquellen werden ebenfalls heiß sein. Sie sind vielleicht nicht komplex, aber sie sind das Produkt einer notwendigerweise kurzen Herstellungs- und Logistikkette, die in einigen großen, teuren, unbequemen, wahnsinnig komplexen und gefährlichen Geräten endet.

Sie haben auch jede Batterie zu ihrer eigenen kleinen "schmutzigen Bombe" gemacht und nur darauf gewartet, dass sie mit einer angemessenen Kraft verteilt wird, es sei denn, Sie haben sie sehr gut verpackt, wodurch sie sperriger, schwerer und teurer wird, was nicht der Fall ist wirklich wünschenswert.

Abgesehen davon ist der sichere Transport radioaktiver Abfälle an sich problematisch, erschwert aber auch das Auffinden verdächtiger Strahlungsquellen während des Transports. Im Allgemeinen werden alle Strahlungsquellen, die stark genug sind, um interessant zu sein, zumindest die Augenbrauen hochziehen. Wenn Sie eine Menge von den Dingen im Umlauf haben, wird es ein bisschen einfacher, gefährliche Materialien (z. B. spaltbares Material) zu schmuggeln, ohne dass die Leute es bemerken.

Sind Alpha- und Beta-Voltaics die Lösung für das Energiespeicherproblem in Scifi?
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