Betavoltické články využívajúce rádioaktívny rozpad by znamenali revolúciu v používaní všetkých systémov, ktorým stačí minimum energie. Sú však chúlostivé na jej výpadky. Štafetu výskumu po Američanoch teraz prebrali Rusi.
Vývoj batérií je jedným z najdynamickejšie sa rozvíjajúcich odvetví mikroelektroniky. Batérie poháňajú miliardy prístrojov po celom svete, a tak niet divu, že výrobcovia hľadajú nové a výkonnejšie články. Lenže aj tie najmodernejšie batérie ešte vždy zaostávajú za životnosťou prístrojov. Napríklad tri roky starý smartfón je na technologickom vrchole, jeho zdroj energie je však v koncoch. Batéria, ktorej kapacita by klesala len veľmi pomaly a vydržala by tak priemerne aj desaťročia, by bola skutočným technologickým prelomom. A nie je to nápad zo sveta sci-fi.
Storočné experimenty
Princíp večnej batérie je známy vyše sto rokov. Už v roku 1913 britský fyzik Henry Moseley demonštroval takzvaný betavoltický článok. Fungoval na tom istom princípe ako fotovoltické panely – medzi dvoma elektródami je zatavený polovodič, ktorý po osvetlení lúčom vytvára elektrické napätie. Len s tým rozdielom, že energia nevzniká vďaka slnečnému svetlu, teda pôsobeniu fotónu, ale beta žiareniu. Ide o prúd rýchlych elektrónov, ktorý vzniká pri rádioaktívnom rozpade atómových jadier. Moseley experimentoval s izotopmi rádia. Od tých čias však vedci ako zdroj beta žiarenia pre konštrukciu elektrických článkov vyskúšali mnoho iných prvkov. V laboratóriách americkej firmy RCA experimentovali v rokoch 1953 až 1956 s izotopmi stroncia, ytria a prométia, no v dôsledku nedokonalých polovodičov dosiahli elektrickú účinnosť len 0,2 percenta energie beta žiarenia. Je však zaujímavé, že tento výskum položil základy fotovoltiky.
Všade, kde je nevyhnutné napájať mikroelektroniku v extrémnych teplotných podmienkach bez hrozby výpadku prúdu by atómová batéria znamenala zásadný prelom. A pre pacientov s kardiostimulátorom možno aj zlepšenie kvality života.
V roku 1972 získala patent batéria Betacel, prvá komerčná atómová batéria z dielne amerických laboratórií McDonnell Douglas. Článok využívajúci izotop prométia 147 sa stal súčasťou nemeckých kardiostimulátorov Biotronik a voperovali ho stovke pacientov. O dva roky neskôr sa však projekt zastavil. Dôvodom bol nástup oveľa lacnejších lítiových batérií, ktoré využívajú chemickú interakciu tohto kovu s oxidom manganičitým, ale aj nepodložené obavy z jadrových technológií. Nápad na batérie živené jadrovým rozpadom tak na dlho upadol do zabudnutia.
Po Američanoch Rusi
Približne pred desiatimi rokmi sa vedci o atómové články začali znova zaujímať. Lítiové batérie majú síce výborné parametre, v prípade skratu im však hrozí rýchle vybitie. Aj ich životnosť sa ráta len na roky, nie na desaťročia, čo je zásadný nedostatok v prípade prístrojov, kde je výmena batérie veľmi náročná (okrem kardiostimulátorov ide napríklad o meracie aparatúry kozmických sond alebo podmorských vrtov).
V roku 2012 americká spoločnosť CityLabs uviedla na trh svoj betavoltický článok NanoTritium schopný dodávať prúd od 50 do 350 nanoampérov. Batéria tvarom aj veľkosťou pripomína bežný počítačový čip. Má síce povolenie na bežný predaj, ale v skutočnosti CityLabs výrobu nikdy nerozbehol.
Prelom v súťažení o dostupnejší betavoltický článok medzitým odštartovali Rusi. Pri vývoji atómovej batérie, ktorá by mala vydržať v prevádzke až päťdesiat rokov, spojili svoje sily hneď tri inštitúcie. Zatiaľ čo vedecká štúdia vychádza z projektu Sibírskej štátnej letecko-kozmickej univerzity, Tomský polytechnický inštitút má na starosti dizajn článku. Podnik Gorno-chimičeskij kombinat (GCHK), ktorý spadá pod ruský atómový koncern Rosatom, sa postará o výrobu samotného paliva. Ruská batéria by mala využívať izotop niklu 63, ktorý na rozdiel od trícia neemituje také silné žiarenie a má ešte aj dlhý polčas rozpadu – viac než sto rokov. Ďalšou výhodou je ľahšia výroba niklovej batérie. Izotop niklu zostáva kovom a jeho uloženie do mikročlánku je teda jednoduchšie než v prípade plynného trícia (rádioizotopu vodíka).
Nádej pre kardiakov
V súčasnosti kombinát v Železnogorsku vo svojom výskumnom reaktore vyrába nikel 63 ožarovaním plátkov extrémne čistého niklu. Koncom roku 2016 by sme chceli mať hotový izotop, v nasledujúcom roku plánujeme predstaviť prototyp batérie, vysvetlil Pjotr Gavrilov, riaditeľ GCHK. Ako v prípade americkej batérie NanoTritium, aj ruský jadrový článok by sa mal byť konštruovať tak, aby jeho majiteľ nemusel mať nijakú dodatočnú licenciu na prevádzku jadrového zariadenia.
Pokračovanie článku si môžete prečítať v augustovom vydaní časopisu Quark.
Quark si môžete aj objednať tu alebo na adrese: predplatne@quark.sk
R
Foto MISIS, Boston Scientific, archív