Chińscy badacze z Northwest Normal University oraz firma Gansu Zhulong Technology pokazali nową generację baterii jądrowej opartej na izotopie węgla-14 i przetworniku z węglika krzemu. Jej nazwa? Qianjiyuan Tianshu. Sama idea tej baterii jest dość prosta, bo zamiast przechowywać energię w reakcjach chemicznych, wykorzystujemy powolny rozpad promieniotwórczy i zamieniamy go na prąd. Dlatego też takie konstrukcje bywają nazywane bateriami radioizotopowymi albo atomowymi.
Bateria jądrowa nie jest nowa. Chiny chcą ją zmniejszyć
W praktyce baterie jądrowe nie mają wiele wspólnego z typowym akumulatorem w smartfonie. Nie podłączamy ich do ładowarki, nie robimy żadnych cykli ładowania i rozładowania, a na dodatek nie walczymy w nich z degradacją elektrolitu. Źródłem energii w nich jest sam materiał radioaktywny, który rozpada się w przewidywalnym tempie. Właśnie dlatego tego typu źródła zasilania od dekad pasują do zastosowania w sprzęcie wysyłanym poza Ziemię.
Czytaj też: Naukowcy zmienili pułapkę w paliwo dla paneli. Organiczna fotowoltaika przebiła 20 procent
NASA wykorzystywała radioizotopowe systemy zasilania w sondach Voyager, wystrzelonych w 1977 roku, a później także w marsjańskich łazikach Curiosity i Perseverance. Tam zwykłe panele słoneczne lub chemiczne akumulatory szybko stają się ograniczeniem, bo misja ma działać latami, daleko od ludzi i często w miejscach, gdzie Słońce nie jest pewnym dostawcą energii. Chiny w tym akurat sektorze też nie zaczynają od zera. Baterie i systemy radioizotopowe pojawiały się bowiem przy chińskich misjach księżycowych Chang’e-3 i Chang’e-4.
W przypadku tych baterii zwykle mówimy tu o zastosowaniach kosmicznych, a nie o sprzęcie, który miałby trafić do przemysłu w masowej skali. Nowość leży więc gdzie indziej. Chińscy badacze nie mówią bowiem teraz tylko “zrobiliśmy baterię jądrową”. Mówią raczej “zrobiliśmy ją mniejszą, bardziej zintegrowaną i bardziej własną”.
Węgiel-14 daje tysiące lat, ale cudów nie gwarantuje
Sam węgiel-14 ma okres półtrwania wynoszący około 5730 lat. W uproszczeniu oznacza to, że taki materiał rozpada się tak wolno, że urządzenie może zachowywać użyteczną aktywność przez tysiące lat. Podobny temat pojawił się zresztą już w 2004 roku przy diamentowej baterii z węgla-14, która również opierała się na idei mikromocy dostarczanej przez bardzo długi czas. To nie uległo zmianie w nowym dziele z Chin, bo Qianjiyuan Tianshu nie zasili w żadnym razie smartfona czy drona. Ma objętość 16,8 cm3, a w środku znajduje się 129 milikurów węgla-14. Efekt? Prąd zwarciowy 0,713 mikroampera, napięcie 2,06 V i maksymalna moc 1,13 mikrowata.
Gdyby więc ktoś chciał zasilić urządzenie pobierające zaledwie wat, potrzebowałby teoretycznie około 885000 takich modułów. Smartfon zużywający kilka watów wymagałby już milionów. Wychodzi więc z tego absurdalna objętość i równie absurdalna cena. Żywotność jest więc imponująca, ale moc już kompletnie mikroskopijna. Tyle że mikroskopijna moc nie oznacza bezużyteczności. W świecie czujników, implantów, znaczników radiowych, urządzeń pracujących w głębinach, na biegunach, w przestrzeni kosmicznej albo w infrastrukturze, do której człowiek nie chce zaglądać przez dekady, mikrowaty mogą być wystarczające. Zwłaszcza jeśli bateria nie ma bezpośrednio zasilać dużego nadajnika, tylko ładować mały bufor energii i co jakiś czas pozwalać urządzeniu wysłać krótki sygnał.
Bateria Qianjiyuan Tianshu jest ważna przez miniaturyzację
Według chińskich danych nowa bateria wykorzystuje tylko 22%materiału radioaktywnego względem poprzednika, a mimo tego osiąga 2,6 razy większą moc maksymalną. Krótkoprądowy parametr miał przy tym wzrosnąć 2,5-krotnie, współczynnik wypełnienia z 0,73 do 0,77, a efektywna objętość spaść do 17% wcześniejszej wartości. Gęstość mocy objętościowej wzrosła z kolei około 15,5 raza. Jak więc udało im się to osiągnąć?
Badacze wskazują na pięć kierunków ulepszeń, bo lepsze dopasowanie źródła promieniotwórczego, przetwornik z węglika krzemu, trójwymiarowe pakowanie warstw, mikroukład zarządzania energią oraz wbudowane czujniki pozwalające na samodzielną pracę. W praktyce chodzi więc nie o jedną cudowną sztuczkę, ale o dopracowanie całej miniaturowej platformy energetycznej.
Czytaj też: Wpadka Orlenu? Polska produkuje paliwo przyszłości, a korzystają z niego za granicą
Najbardziej interesuje mnie węglik krzemu, bo to materiał, który dobrze znosi warunki, w których krzem zaczyna przegrywać. Bateria nie opiera się tu na klasycznym podejściu znanym z dużych radioizotopowych generatorów termoelektrycznych, które zamieniają ciepło rozpadu na prąd i bywają masywne. Tutaj elektrony beta z rozpadu węgla-14 trafiają na półprzewodnik, a ten zamienia ich energię bezpośrednio na prąd. Badacze porównują to do panelu słonecznego, tylko że zamiast światła mamy promieniowanie.
Co ciekawe, urządzenie i przetwornik SiC mają być opracowane bez zagranicznych technologii i komponentów. Chińskie źródła piszą o pełnym łańcuchu krajowych rozwiązań, od badań po komercjalizację i przyszłe zastosowania przemysłowe. Chińczycy podpisali też porozumienia z kilkoma firmami, które mają pomóc w przejściu od wyników badawczych do zastosowań, testów, certyfikacji i potencjalnej produkcji.
Długowieczna energia to nie wąska nisza
Wiele urządzeń nie potrzebuje ogromnej mocy. Potrzebuje natomiast pewności, że po latach nadal będzie w stanie się obudzić, zmierzyć parametr, zapisać dane albo wysłać sygnał. Medycyna jest najbardziej intuicyjnym przykładem, choć jednocześnie najbardziej wrażliwym regulacyjnie. Rozruszniki serca, implanty czy czujniki biologiczne – wszędzie tam wymiana baterii może oznaczać zabieg, ryzyko i koszty. Bateria działająca przez tysiące lat nie musi oczywiście oznaczać implantu na tysiące lat, bo biologiczna i mechaniczna żywotność urządzenia będzie znacznie krótsza. Mimo to źródło zasilania, które nie starzeje się jak klasyczny akumulator, może zmienić projektowanie takich systemów.
Czytaj też: Fotowoltaiczny paradoks. Panele słoneczne mają jednego dziwnego wroga
Jeszcze ciekawiej robi się poza sferą medyczną. Głębokie morza, polarne stacje pomiarowe, czujniki geologiczne, infrastruktura krytyczna, sondy kosmiczne czy małe urządzenia monitorujące środowisko. W tych miejscach najdroższy bywa nie sam czujnik, ale powrót do niego. Jeśli bateria za kilkanaście lub kilkadziesiąt lat nadal będzie pracować, to cała logika projektowania sieci pomiarowej robi się inna.
Przyszłość jest teraz, tylko na razie ma moc mikrowata
Najłatwiej byłoby zrobić z tego tekst o “baterii, której nigdy nie trzeba ładować”. Taki nagłówek sam się klika. Tyle że byłoby to pójście na skróty, bo największe znaczenie tej technologii nie polega na zastąpieniu naszych powerbanków. Nie zastąpi. Przynajmniej nie w tej formie, nie przy tej mocy i nie w przewidywalnej przyszłości.
Prawdziwie ciekawe jest coś innego. Od lat mówimy o świecie miliardów urządzeń, wszechobecnych czujników, inteligentnej infrastruktury i maszyn, które mają działać w miejscach zbyt nudnych, odległych albo niebezpiecznych dla człowieka. Taki świat potrzebuje nie tylko szybkich procesorów i sprawnych sieci. Potrzebuje też źródeł energii, o których można zapomnieć. Qianjiyuan Tianshu nie jest więc “akumulatorem przyszłości” w tym najbardziej konsumenckim sensie. Jest raczej drobnym, ale ważnym elementem większego przesunięcia – od elektroniki, którą ciągle obsługujemy, do elektroniki, która po prostu trwa.
Źródła: Science and Technology Daily, South China Morning Post
