Oživení jaderných baterií překvapuje technologický průmysl. Startupy a výzkumná centra po celém světě pracují na zařízeních, která slibují desítky let provozu bez nutnosti výměny a údržby. Podle IEEE Spectrum mohou tyto úspěchy transformovat odvětví jako robotika, vesmírný výzkum, medicína a obrana, i když jejich komerčnímu zavedení brání regulační překážky a bezpečnostní problémy.
Dodavatelé energie pro kriticky důležité aplikace
Společnost Infinity Power ze San Diega spolupracuje s Úřadem pro jadernou energii Spojeného království (UKAEA), City Labs v Miami a univerzitami v Číně a Jižní Koreji. V uplynulém roce také oznámili technické průlomy, které zásadně mění energetickou situaci v několika odvětvích .
Tyto organizace zkoumají metody elektrochemické přeměny, využití pokročilých polovodičů a radioizotopového řízení pro vývoj baterií, které budou schopny fungovat po desetiletí, ba dokonce po staletí. Hlavní výhodou je podle odborníků jejich dlouhá životnost a schopnost zajistit trvalé napájení lehkých zařízení v situacích, kdy tradiční chemické akumulátory ztrácejí účinnost nebo jejich častá výměna není praktická.
Z operačního sálu na oběžnou dráhu: historické předchůdce a použití
Historie jaderných baterií není nová. V roce 1970 lékaři v Paříži implantovali první kardiostimulátor na jaderné palivo . Během následujících pěti let bylo ve Francii a USA implantováno více než 1400 takových implantátů. Zařízení uzavřená v titanovém obalu a obsahující malé množství plutonia-238 umožnila vyhnout se opakovaným chirurgickým operacím a prodloužila životnost kardiostimulátoru o několik desítek let.
Nemožnost kontrolovat konečné místo určení těchto zařízení po smrti jejich majitelů však vedla k tomu, že radioaktivní materiály skončily na hřbitovech nebo v krematoriích. Vzhledem k této složitosti sledování regulační orgány v USA a Evropě postupně zakázaly jejich používání a civilní vývoj jaderných baterií se přesunul do oblastí, kde životnost ospravedlňovala náklady a rizika, například do kosmických misí, napájení majáků a dálkových senzorů.
Jak fungují moderní jaderné baterie
Jaderné baterie nefungují jako malé reaktory. Jejich princip je založen na využití spontánního rozpadu radioizotopů, který uvolňuje energii na atomové úrovni. Ve většině moderních vývojů se používají izotopy jako nikl-63 a tritium. Tato jádra emitují beta částice, které při interakci s okolními polovodiči generují elektrický proud podobný efektu solárního článku.
Druhý přístup spočívá v přeměně tepla záření na energii pomocí termoelektrických zařízení . Podle údajů IEEE Spectrum závisí výběr radioizotopu na poločasu rozpadu a rychlosti rozpadu. Tritium a nikl-63 mají výhody díky nízké energii a snadné manipulaci, zatímco polonium-210 a plutonium-238 mají vyšší výkon, ale vyžadují pečlivou ochranu a technickou kontrolu, aby se omezilo poškození polovodičů a vystavení radiaci.
Současné a experimentální použití: od vzdáleného vesmíru po odlehlá prostředí
Pokud jde o praktické použití jaderných baterií, již několik desetiletí se používají v kosmickém výzkumu a pro výrobu elektřiny v odlehlých oblastech. Od roku 1977 používá NASA radioizotopové termoelektrické generátory (RIEG) poháněné plutoniem-238 pro mise jako sondy Voyager.
Každý generátor váží asi 38 kilogramů, produkuje asi 157 wattů v počáteční fázi a zajišťuje provoz vědeckého zařízení po dobu více než čtyř desetiletí. Jak energie izotopu slábne, elektrický výkon se postupně snižuje.
Během studené války umístil Sovětský svaz více než 1000 RITEGů na severozápadě Ruska pro majáky a meteorologické stanice, zatímco Spojené státy používaly podobné verze pro monitorování v Arktidě a na mořském dně.
Mimo vesmír a geografické hranice startupy a vývojáři technologií zvažují nové scénáře . Mezi možnosti patří autonomní senzory, mikrodrony, miniaturní roboty a implantovatelné lékařské přístroje, kde potřeba autonomie a nepřetržitého napájení překonává technické a bezpečnostní překážky spojené s používáním radioaktivních materiálů.
Vojenský sektor také vidí potenciál v tomto typu baterií, které výrazně sníží energetickou zátěž vojáků během dálkových misí. Široké zavedení je v rozporu s nutností spolehlivé ochrany a odpovědného nakládání s radioaktivním odpadem po skončení životnosti zařízení.
Mezery v regulaci a nejnovější inovace
Hlavní překážkou pro rozsáhlé využívání radioizotopů v průmyslu je jejich nákup, správa a likvidace. Například cena tritia může dosáhnout až 30 000 dolarů za gram, přičemž generuje pouze zlomky wattu tepelné energie.
K tomu je třeba připočítat nutnost získání speciálních licencí jak pro dodavatele, tak pro konečné uživatele, kteří přebírají právní a logistickou odpovědnost za kontrolu a bezpečnou likvidaci materiálů .
Nejrozšířenější technologie přeměny energie se nazývá beta-voltaika. Využívá polovodiče k přeměně beta záření na elektřinu a v některých nedávných vývoji již její účinnost přesahuje 10 %. Společnost Infinity Power tvrdí, že vytvořila systém s účinností dosahující 60 % na bázi kapalného roztoku niklu-63, který generuje elektřinu díky rozdílu potenciálů vznikajícímu při rozpadu atomů .
Společnost Beijing Betavolt oznámila zahájení zkušební výroby kompaktní baterie o výkonu 100 mikrowattů s životností půl století. Společnost plánuje uvést na trh verzi o výkonu 1 watt v roce 2025, pokud získá povolení a financování. Společnost Arkenlight ve Velké Británii zkoumá možnosti založené na uhlíku-14 a tritiu s ohledem na použití v satelitech, lékařských implantátech a průmyslových senzorech .
Společnost City Labs v Miami zase vyvíjí baterie na bázi tritia pro lékařské a kosmické aplikace s životností až 20 let . Mezitím spolupráce mezi UKAEA a Bristolsou univerzitou vedla k vytvoření baterie na bázi uhlíku-14 s životností více než 5700 let, což potenciálně umožní zařízení fungovat po staletí.
Trvalé problémy a vyhlídky na rozšíření
Budoucnost této technologie závisí na tom, zda její energetické výhody převáží rizika a náklady na regulaci a likvidaci. Jaderný inženýr, kterého cituje IEEE Spectrum, uvedl, že technologie již prokázala svou účinnost a bezpečnost v podmínkách přísných pravidel, ale úkolem je najít trhy a aplikace, kde její výhody převáží technické a právní překážky.
Odvětví je optimističtější, pokud jde o kosmický sektor, kde poptávka po spolehlivé a dlouhodobé energii odpovídá charakteristikám těchto akumulátorů. Rozšíření na civilní zařízení na Zemi bude záviset na schopnosti odvětví prokázat dostatečnou kontrolu a odpovědnost během celého cyklu nakládání s radioaktivními materiály.
