Reaktor a fedélzeten? – 2. rész

A kép csupán illusztráció. Nem tervezünk tudományos magazinok babérjaira törni, de erős érintettségünk kapcsán nem mehetünk el a téma mellett. Cikkünknek nyugodtan adhatnánk azt a címet, hogy „Támad a Mars”, vagy drasztikusan stílust váltva „Unokáink is látni fogják!”, ahogy állott egykoron kedvelt városvédő műsorunk főcímeként. Hogy látni fogják, igaz ez cikkünk tárgyára is az „atomakkumulátorokra”.  Mint cikkünk első részében írtuk a belső égésű motorok Európában legerősebb alternatívájaként számontartott akkumulátoros elektromos hajtás elméletileg jó megoldás, viszont a technológia egyelőre még nincs abban a helyzetben, hogy teljes egészében kiváltsa a belső égésű motor összes kényelmét és relatíve kedvező költségét, fenntarthatóságát. Ezzel együtt az elektromos hajtásláncok perspektívája nagyon is vonzó, főként, ha olyan energiaforrást találnánk, ami szinte kimeríthetetlen. Cikkünk első részében a „minireaktorok” lehetőségeivel foglalkoztunk az autók fedélzetén, most pedig az NDB (Nano Diamon Battery) „akkumulátorok” működési elveivel foglalkozunk. Tehát Marsra fel!

A radioaktív akkumulátorok története az 1970-es évekig nyúlik vissza és azóta főleg a béta-voltaikus technológia került előtérbe, mely radioaktív anyagok bomlásából származó elektronokból termel villamos energiát. Bár voltak más megoldások, például a plutóniumon alapuló termoelektromos generátor, a béta-voltaikus elemek nagyobb hatékonyságukkal előnyt élveztek. Azonban mindkét típusú akkumulátor rendelkezik hátrányokkal, például a korlátozott energiatárolási kapacitással és a gamma-sugárzás aggodalmával, ami a radioaktív anyagokhoz kapcsolódik.

Tehát léteznek olyan akkumulátorok, amelyek nukleáris folyamatokat használnak az elektromos energia előállítására, tervezésük és technológiájuk a konkrét alkalmazástól és az energiaforrásra vonatkozó követelményektől függően változhat. A nukleáris akkumulátor technológia 1913-ban kezdődött, amikor Henry Moseley először mutatott be egy töltött részecskesugárzás által generált áramot. A terület az 1950-es és 1960-as években jelentős mélyreható kutatási figyelmet kapott az olyan alkalmazások terén, amelyek hosszú élettartamú energiaforrást igényeltek pl. „űrigényekhez”. 1954-ben az amerikai RCA vállalat kis atomelemet kutatott kis rádióvevők és hallókészülékek számára. Az RCA kezdeti kutatása és fejlesztése óta, az 1950-es évek elején, számos típust és módszert terveztek az elektromos energia nukleáris forrásokból történő kinyerésére. A tudományos alapelvek jól ismertek, de a modern nanoléptékű technológia és az új, széles sávú félvezetők olyan új eszközöket és érdekes anyagtulajdonságokat hoztak létre, amelyek korábban nem voltak elérhetőek. És itt vagyunk most!

A nukleáris akkumulátorokat energiaátalakítási technológia szerint két fő csoportba sorolhatjuk: hőátalakítók és nem hőátalakítók. A termikus típusok a nukleáris bomlás során keletkező hő egy részét elektromos árammá alakítják. A legfigyelemreméltóbb példa az űrhajókban gyakran használt radioizotópos termoelektromos generátor (RTG). A nem hőátalakítók közvetlenül nyerik ki az energiát a kibocsátott sugárzásból, mielőtt az hővé bomlik le. Könnyebben miniatürizálhatók és működésükhöz nincs szükség termikus gradiensre, ezért alkalmasak kis méretű alkalmazásokhoz. A legfigyelemreméltóbb példa a bétavoltaikus-technológia .

Az "atomakkumulátor" a nukleáris izotópok folyamatos bomlására támaszkodik (nem pedig láncreakcióra), hogy állandó áramellátást hozzon létre. Emellett alig vagy egyáltalán nem termel hulladékot, sőt nukleáris hulladékot is felhasználhatnak akkumulátorként. Habár ezeket "akkumulátoroknak" nevezik, nem elektrokémiai jellegűek és nem lehet újratölteni őket, viszont rendkívül hosszú élettartammal, nagyon magas energiasűrűséggel rendelkeznek, emellett a köznyelvből csak azért is az „akkumulátor” név ragad rájuk.
 

Az NDB koncepció

Az amerikai NDB (Nano Diamond Battery) egy koncepció, melynek célja egy univerzális, élethosszig tartó, öntöltő zöld akkumulátor megépítése, elektromos autókhoz és egyéb elektronikai eszközökhöz. Egy jelentés szerint a koncepció próbáját a Lawrence Livermore National Laboratory értékelte; az értékelés eredményeként kiderült, hogy a gyémánttal kombinált rendszer akár 40%-os töltési hatékonyságjavulást is eredményezhet. A gyémántot nukleáris hulladékból származó újrahasznosított széngrafitból állítják elő, ami további innovatív megközelítést jelent az anyagok környezetbarát és hatékony felhasználásában, ami ígéretes.

A Nano Diamond Battery (NDB) koncepció egy kiváló teljesítményű energiatároló rendszer koncepciója, amely gyémánt alapú és alkalmazását tekintve alfa-, béta- és neutronvoltakkumulátorként funkcionál. Ez a forradalmi technológia hosszú távú és környezetbarát energiamegoldást kínál számos területen, meghaladva a hagyományos vegyi akkumulátorok korlátait. Az NDB működése hasonló egy apró „atomgenerátoréhoz”. A rendszer energiát nyer közepes és magas szintű rádióizotópokból, melyeket többszintű szintetikus gyémánt árnyékol, biztosítva ezzel a maximális biztonságot. Az energia elnyelődik a gyémántban, melyet aztán elektromos áram előállítására fordítanak. Az öntöltési folyamatnak köszönhetően bármely eszköz vagy gép egész élettartama alatt fenntartható energiát élvez, akár 28 000 éven át.

Az öntöltés mellett a rendszer csupán természetes levegőnek van kitéve és a felesleges töltést könnyedén lehet tárolni kondenzátorokban, szuperkondenzátorokban és másodlagos cellákban. Ezáltal jelentősen meghosszabbíthatja a mobiltelefonok, repülőgépek, rakéták, elektromos járművek, érzékelők és egyéb eszközök és gépek akkumulátorainak élettartamát. A Nano Diamond Battery egy olyan innováció, amely hatékonyan ötvözheti a tartósságot és a fenntarthatóságot, hozzájárulva a jövő energiaszükségleteinek környezetbarát kielégítéséhez.

Az elképzelt energia tároló rendszer kialakítását DNV (Diamond Nuclear Voltaic) néven emlegetik, amely réteges kötegelrendezést alkalmaz a hatékonyság maximalizálása és a nagy energiakibocsátás érdekében. A rendszer kombinálná a gyémántokban tárolt töltést a nagy teljesítményű szuperkondenzátorokkal. A gyémántok potenciálisan elektromos energiát tárolnának, míg a szuperkondenzátorok gyors energiatárolást és leadást biztosítanának. A gyémánt nukleáris sugárzásának visszaszorítása érdekében egy másik gyémántrétegbe lenne burkolva, amely nem radioaktív és laboratóriumban létrehozott Carbon-12-ből készül. Azonban fontos megjegyezni, hogy ez a koncepció jelenleg még csak elméleti szinten létezik és számos technológiai kihívással kell még szembenéznie a gyakorlati megvalósításhoz.

Töltési koncepció

Az energiatárolás elképzelt rendszere a nukleáris anyagból kisugárzott elektronok révén nyerné a töltést. A rendszer a megszokott anódot és katódot alkalmazza, valamint félvezetőt is a gyémántból kibocsátott töltés gyűjtéséhez. A koncepció alapötlete az, hogy a gyémánt addig generál elektronokat, amíg el nem fogy - elméletileg ez több ezer évig is eltarthat (!), így értelemszerűen olyan energiaforrást eredményez, amelyet a fogyasztónak nem kell feltölteni. Az elektronok elvesztése után ezek a gyémánt szénatomjai pozitív töltéssel rendelkező ionokká válnak – több ezer év múlva.

A való életben még senki nem látott működő prototípust. Az energiamegmaradás törvénye szerint az energia nem teremthető és nem is szűnhet meg, csak átalakulhat egyik formából a másikba. Ez azt jelenti, hogy egy rendszerben a kezdeti energia és a bejövő energia egyenlő a rendszerből kilépő és átalakuló energia összegével. Ez az elv érvényes minden energiaátalakítási folyamatra, beleértve az akkumulátorok működését is. Az akkumulátorok energia tárolására és felszabadítására szolgálnak, de egy része mindig elvész a különböző folyamatok, például a hőkibocsátás (disszipáció) vagy az elektromos ellenállás miatt. Ezt nevezik energia veszteségnek. A Diamond Nuclear Voltaic (DNV) esetében is fennállnak ilyen veszteségek, hiszen semmi sem lehet 100%-ban hatékony az energiaátalakításban. Azonban elméleti előnye lehet a hosszú élettartam, mivel a gyémántok által termelt elektronokat az izotópok hosszú időn keresztül biztosítják. Már ma is léteznek olyan apró mikroeszközök, amelyek kis feszültséggel is folyamatosan működnek, így ez akkumulátor formájában is működhet. Létezik technológia, például meglehetősen gyakori áramforrások: az űrhajókban. Néhány akkumulátort akár elég kicsire is lehetne tervezni ahhoz, hogy elférjen kis elektronikus eszközökben, például okostelefonokban.

Hatása

A nukleáris ipar számára egy ilyen fejlemény fantasztikus hír lenne, hiszen az ő hulladékuk akkor valaki más hasznává válhat és túllép durva környezetszennyező jellegén, korszakán. Az ipart is sokkal hatékonyabbá tenné, hiszen mindent hasznosíthat, immár az atomhulladékot is. Valószínűleg a kormányok is beállnának egy ilyen kezdeményezés mögé, mivel ahelyett, hogy az adófizetők pénzét a hulladék „ártalmatlanítására” kellene költeniük, odaadhatnák azt egy olyan cégnek vagy autógyártónak, akinek autójukhoz vagy termékükhöz van szüksége a hulladékra. Mindenki nyer, különösen a környezet! Lehet, hogy az atomenergia a szent grál az elektromos járművek piacán?

Tovább gondolva

Bármennyire is érdekes a fenti megoldás, a járművekben történő nukleáris felhasználás jövője egészen más lehet. Ahelyett, hogy az atomreaktorokat autóba építenénk, jobb megoldás lenne atomenergiát használni az elektromos járművek töltésére? Reaktor a kutakon? Erről szól cikksorozatunk következő része!

Tehát: folytatjuk!

A nukleáris működési elvű akkumulátorok működése az alábbi videókon is megtekinthető:

Forrás: www.techbriefs.com, topgear.com, medium.com