Ydinakut

Jo 1950-luvulla tutkijat pitivät betavoltaitiikkaa – teknologiaa beetasäteilyn energian talteenottoon – perustana uusien energialähteiden luomiselle tulevaisuudessa. Nykyään on todellista syytä vakuuttaa, että hallittujen ydinreaktioiden käyttö on luonnostaan ​​turvallista. Ihmiset käyttävät jokapäiväisessä elämässä jo kymmeniä ydinteknologioita, kuten radioisotooppisavuilmaisimia.

Joten maaliskuussa 2014 tutkijat Jae Kwon ja Bek Kim Missourin yliopistosta Columbiassa, USA:ssa toistivat maailman ensimmäisen toimivan prototyypin kompaktista virtalähteestä, joka perustuu strontium-90:een ja veteen. Tässä tapauksessa veden rooli on energiapuskuri, joka selitetään alla.

Ydinakku toimii vuosia ilman huoltoa ja pystyy tuottamaan sähköä vesimolekyylien hajoamisen vuoksi, kun ne ovat vuorovaikutuksessa beetahiukkasten ja muiden radioaktiivisen strontium-90:n hajoamistuotteiden kanssa.

Tällaisen akun tehon pitäisi olla täysin riittävä sähköajoneuvojen ja jopa avaruusalusten tehoon.Uuden tuotteen salaisuus piilee betavoltaiikan ja melko uuden fysiikan trendin – plasmoniresonaattorien – yhdistelmässä.

Plasmoneja on käytetty aktiivisesti viime vuosina erityisten optisten laitteiden, kuten ultratehokkaiden aurinkokennojen, täysin litteiden linssien ja erikoispainatusmusteen, kehittämisessä, jonka resoluutio on monta kertaa suurempi kuin silmiemme herkkyys. Plasmoniset resonaattorit ovat erikoisrakenteita, jotka pystyvät sekä absorboimaan että lähettämään energiaa valoaaltojen ja muun sähkömagneettisen säteilyn muodossa.

Nykyään on jo olemassa radioisotooppienergian lähteitä, jotka muuttavat atomien hajoamisenergian sähköksi, mutta tämä ei tapahdu suoraan, vaan fysikaalisten vuorovaikutusten ketjun kautta.

Ensin radioaktiivisten aineiden tabletit lämmittävät säiliön runkoa, jossa ne ovat, sitten tämä lämpö muunnetaan sähköksi termoparien avulla.

Valtava määrä energiaa menetetään jokaisessa muuntamisen vaiheessa; Tästä tällaisten radioisotooppiparistojen hyötysuhde ei ylitä 7 %. Betavolticaa ei ole käytetty pitkään aikaan käytännössä, koska akun osat tuhoutuvat erittäin nopeasti säteilyn vaikutuksesta.

Lopulta tutkijat löysivät tavan muuttaa vapautunut energia suoraan epävakaiden atomien hajoamistuotteiden kanssa. Kävi ilmi, että beetahiukkaset (elektronit, joiden nopeus on riittävän suuri atomin hajoamisen aikana) pystyvät hajottamaan vesimolekyylejä vedyksi, hydroksyyliradikaaliksi ja muiksi ioneiksi.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että näitä vesimolekyylien rappeutuneita osia voidaan käyttää suoraan energian poistamiseen, jonka ne absorboivat törmäysten seurauksena beetahiukkasten kanssa.

Jotta vesiydinakku toimisi, tarvitaan erityinen rakenne, joka koostuu sadoista mikroskooppisista titaanioksidipylväistä, jotka on päällystetty platinakalvolla, muodoltaan kampan kaltainen. Sen hampaissa ja platinakuoren pinnalla on monia mikrohuokosia, joiden kautta ilmoitetut veden hajoamistuotteet voivat tunkeutua laitteeseen. Joten akun toiminnan aikana "kammassa" tapahtuu useita kemiallisia reaktioita - tapahtuu vesimolekyylien hajoamista ja muodostumista, kun taas vapaita elektroneja syntyy ja ne siepataan.

Kaikkien näiden reaktioiden aikana vapautuva energia imeytyy "neulaan" ja muunnetaan sähköksi. Pilarien pinnalle ilmaantuvien plasmonien, joilla on erityisiä fysikaalisia ominaisuuksia, ansiosta tällainen vesiydinakku saavuttaa maksimihyötysuhteensa, joka voi olla 54 %, mikä on lähes kymmenen kertaa korkeampi kuin klassiset radioisotooppivirtalähteet.

Täällä käytetty ioniliuos on erittäin vaikea jäädyttää riittävän alhaisissa ympäristön lämpötiloissa, jolloin uudella tekniikalla valmistettuja akkuja voidaan käyttää sähköajoneuvojen voimanlähteenä ja oikein pakattuna myös avaruusaluksissa eri tarkoituksiin.

Radioaktiivisen strontium-90:n puoliintumisaika on noin 28 vuotta, joten Kwonin ja Kimin ydinakku voi toimia ilman merkittävää energiahäviötä useita vuosikymmeniä, jolloin teho vähenee vain 2 % vuodessa.Tiedemiehet sanovat, että tällaiset parametrit avaavat selkeän mahdollisuuden sähköajoneuvojen yleisyyteen.