Betavoltaische Batterien sind Geräte, die aus der Betastrahlung eines radioaktiven Materials Strom erzeugen. Alphavoltaik funktioniert ähnlich und verwendet Alphastrahlung. Das Konzept wurde vor etwa 50 Jahren erfunden und sie sind sicher genug, um beispielsweise in Herzschrittmachern eingesetzt zu werden.
Der Wikipedia-Artikel über sie besagt jedoch, dass sie „abgekündigt wurden, als billigere Lithium-Ionen-Batterien entwickelt wurden“. Allerdings sind Lithium-Ionen-Akkus meines Erachtens kaum den Anforderungen des Verbrauchers gewachsen: iPhones halten etwa einen Tag und Notebooks auch mal nicht länger als vier Stunden. Betavoltaik hingegen kann ihre Ladung über Jahre halten.
Warum werden sie dann nicht in kommerziellen Anwendungen eingesetzt? Was sind ihre relativen Vor- und Nachteile in Bezug auf die aktuellen Lösungen und insbesondere auf Lithium-Ionen-Batterien?
AKTUALISIEREN
Die Strommenge ist an die Halbwertszeit gebunden. Wenn beispielsweise Ni-63 eine Halbwertszeit von 100 Jahren hat, bedeutet dies, dass dieser Mol Nickel während dieser 100 Jahre Avogadro/2-Elektronen produziert. Das bedeutet 10^21 Elektronen pro Jahr und 10^14 Elektronen pro Sekunde.
Das bedeutet bis zu 0,1 mA oder elektrischer Strom.
Die Energie der Elektronen aus Nickel beträgt 67 keV. Das bedeutet, dass jedes Elektron 67 Kilovolt elektrische Spannung hat.
Die Stromstärke von einem Mol Nickel-63 beträgt also 67000 * 0,0001 = bis zu 6 Watt.
Andere Art zu rechnen. Wenn Nickel-64 10^14 Elektronen pro Sekunde mit jeweils 67 keV Energie erzeugt, dann beträgt die Leistung 7 * 10^4 * 10^14 ev/s = 7 * 10^4 * 10^14 * 10^(- 19) = 0,7 Watt.
Die Zahlen stimmen also bis zur Größenordnung überein.
Näherungsweise liefert ein Mol Nickel-63 1 Watt Strom ca.
Dies scheint für viele Fälle ausreichend zu sein, einschließlich des Stromverbrauchs des iPhone.
1 Mol Nickel-63 wiegt 63 Gramm. Der iPhone-Akku kann mehr als 100 wiegen.
So können Atombatterien herkömmliche Batterien ersetzen und jahrelang dienen.
Warum verwenden wir sie nicht?
Es gibt viele Gründe für diese Situation.
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.
(Erwähnt von DumpsterDoofus) geringe Leistungsdichte . erzeugt zum Beispiel ~ 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.
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. Vor allem Alphateilchen beschädigen die pn-Übergänge, obwohl (zum Beispiel) 0,55 W/g Alphastrahlung erzeugt, wird es hauptsächlich in thermoelektrischen Schemata und nicht in direkten Energiewandlern verwendet.
Gammastrahlung . Viele Isotope haben eine Gammaemission als sekundären Zerfallsmodus. Da diese Art von Strahlung nur schwer abzuschirmen ist, bedeutet dies, dass die Auswahl der für Batterien verwendbaren Isotope nur auf reine Betastrahler beschränkt ist .
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.
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 Dollar pro Gramm und seine jährliche Weltproduktion beträgt 400 g ( aus Wikipedia ).
All dies bedeutet, dass Kernbatterien auf eine Auswahl von Nischenanwendungen beschränkt sind, typischerweise solche mit Anforderungen an geringe Leistung / lange autonome Lebensdauer. Das soll nicht heißen, dass es keine Innovationen geben kann, die ihren Nutzen erweitern oder Kosten senken.
[1] Tsvetkov, LA, et al. "Möglicher Weg zur industriellen Produktion von Nickel-63 und die Aussichten seiner Verwendung." (2005). online Version
Aktualisieren . Ihre aktualisierten Berechnungen zur Ausgangsleistung von ist im Wesentlichen richtig mit einem entscheidenden Unterschied: 67 keV ist die Gesamtzerfallsenergie und ungefähr die maximale Energie des Elektrons. Da der Zerfall jedoch auch Neutrinos erzeugt, ist die mittlere Energie des Elektrons viel kleiner: 17 keV (siehe diese NUDAT-Referenz oder dieses Java-Applet für das Elektronenspektrum). Also die nutzbare Leistung von 1 Mol ist:
Übrigens kommen wir zu einem weiteren Grund (wenn auch nicht streng genommen physikalisch bedingt):
Wäre vielleicht jetzt möglich und praktikabel?
http://www.nature.com/srep/2014/140611/srep05249/full/srep05249.html
Plasmon-unterstützte radiolytische Energieumwandlung in wässrigen Lösungen Baek Hyun Kim, Jae W. Kwon Nature Scientific Reports Vol.: 4, Artikelnummer: 5249 DOI: 10.1038/srep05249
„Wasser fungiert als Puffer und die im Gerät erzeugten Oberflächenplasmonen haben sich als sehr nützlich erwiesen, um seine Effizienz zu steigern“, sagte Kwon. „Die ionische Lösung lässt sich bei sehr niedrigen Temperaturen nicht leicht einfrieren und könnte in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich Autobatterien und, wenn sie richtig verpackt sind, vielleicht in Raumfahrzeugen.“
Es gibt viele Gründe, warum sie nicht verwendet werden, die Gründe oder meine Erklärungen können nicht gut/nützlich sein oder nicht.
Sie sind Batterien in fast jeder Hinsicht überlegen, aber die Kosten beschränken sie auf Mikroleistungsgeräte. Verwendungszwecke sind * Bei der biologischen Überwachung verwendet, könnten sie an Fischen befestigt werden, um zu sehen, wohin sie gehen, und um Fischbestände oder andere Tierbestände besser zu verwalten. * sie könnten in Spionagegeräten verwendet werden, um Mini-Stromquellen zum Schnüffeln bereitzustellen * dies könnte zu einem Wettrüsten für Spionage-Gizmos führen, also ist das nicht so gut * ihr Preis bedeutet, dass sie in kleinem Maßstab für Spezialzwecke hergestellt würden (1000 g) . * Batterien werden immer noch mit ihnen in Mini-betriebenen Geräten konkurrieren * Kontaminationsgefahren, erfordert viele Jahre Warten auf die Halbwertszeit, um die Radioaktivität oder die Abfallentsorgung zu reduzieren. * Politik, Kosten, Strahlengefahren, öffentliche Besorgnis/Missverständnisse machen ihre Akzeptanz unwahrscheinlich. es wäre cool, sie an Vögeln/Fischen zu befestigen und aufzuzeichnen, wohin sie gehen, um unsere Ressourcen besser zu verwalten. Die Alternative besteht darin, nur die Fänge zu überwachen und nicht auf Ressourcen zu hämmern. Viele größere Energiequellen könnten auf Roboter gesetzt werden, um in Unterwasserhöhlen zu gehen, den Meeresboden zu kartieren, es gibt jedoch Alternativen ...
Sie werden nicht in iPods und Laptops verwendet, weil sie in ihnen nicht verwendet werden können. Eine einfache Google-Suche nach "betavoltaische Leistungsdichte" liefert die Antwort auf alle drei Ihrer Fragen, die der Einfachheit halber unten zitiert werden:
Lagerbär
Suzan Cioc