Publikacja naukowców PORT o bateriach jądrowych w Applied Physics Reviews

O obecnym stanie badań nad bateriami jądrowymi oraz ich możliwych zastosowaniach opowiada dr Dominik Kowal z Grupy Badawczej Materiałów dla Fotoniki w Łukasiewicz – PORT, pierwszy autor pracy Current trends in material research for nuclear batteries: Harnessing metal perovskite halides and other chalcogenides for greater compactness and efficiency. Artykuł ukazał się w marcu w czasopiśmie Applied Physics Reviews wydawanym przez American Institute of Physics.

– Ta publikacja dokonuje przeglądu obecnie stosowanych podejść do baterii jądrowych, koncepcji dotyczących ich architektury oraz zastosowania konkretnych materiałów. Jednym z głównych obszarów naszych badań są materiały perowskitowe, a nasi partnerzy z Indonezji, pod kierownictwem dr Arramela, specjalizują się w chalkogenkach. Wspólnie napisaliśmy artykuł, który skupia się na zastosowaniu tych innowacyjnych materiałów w technologii baterii radiowoltaicznych, radio-fotowoltaicznych i termoelektrycznych. Przedstawiliśmy też oryginalne koncepcje, które dotąd nie były prezentowane, m. in. wzmocnienie wydajności baterii jądrowych poprzez zastosowanie nanofotoniki  – wyjaśnia dr Kowal.

Działanie baterii jądrowej

Mechanizm działania baterii jądrowej, w przeciwieństwie do stosowanych na szeroką skalę baterii litowo-jonowych, nie opiera się na reakcjach chemicznych, lecz na procesach fizycznych, tzn. energia dostarczana przez źródło promieniotwórcze staje się źródłem elektryczności.  W tego typu bateriach kluczowe jest wykorzystanie materiałów pośrednich, które skutecznie wychwytują promieniowanie z radioizotopu i dokonują konwersji energii. W tym celu można wykorzystać między innymi takie związki jak chalkogenki i perowskity opisane w artykule. – Skupiamy się przede wszystkim na bateriach radiowoltaicznych, których schemat działania jest podobny do fotowoltaiki. Tam energia słoneczna zamieniana jest w elektryczność, a tutaj pozyskujemy energię z promieniowania izotopu. Takie radioizotopy mogą pochodzić na przykład z odpadów elektrowni jądrowych – dodaje naukowiec.

Zaletą baterii jądrowych jest ich mały rozmiar i długi czas działania – dostarczają względnie niewielką moc, ale stałą, potrafią działać przez dekady. – Energia jest mocno zagęszczona w źródłach promieniotwórczych, ale ze względu na wolne tempo jej uwalniania, rozkłada się w czasie i skutkuje ograniczoną mocą – wyjaśnia dr Kowal.

Rozrusznik serca zasilany baterią jądrową

Przy odpowiednim wyborze radioizotopu,  emitowane promieniowanie może być łatwo ekranowane i nie zagraża człowiekowi. Najbardziej przemawiającym za bezpieczeństwem tych baterii obrazem jest pomysł zastosowania ich w rozrusznikach serca.

Inne przykłady zastosowania baterii jądrowych to szyby górnicze czy przestrzeń kosmiczna, gdzie niezwykle trudno przeprowadzać regularne wymiany, a także przemysł obronny – mogą zapewnić źródło zasilania żołnierzom w terenie. W tym kontekście praca nad bateriami jądrowymi wpisuje się w jeden ze strategicznych kierunków rozwoju Sieci Badawczej Łukasiewicz i PORT, czyli obronność i bezpieczeństwo państwa.

Obecnie opracowywane baterie jądrowe mają działać przez nawet 50 lat, ale równolegle trwają prace nad zwiększeniem ich wydajności. Pozwoli to na rozszerzenie obszaru ich zastosowania.

– Chcielibyśmy np. zastosować baterie jądrowe w tzw. układach MEMS (z ang. MEMS – microelectromechanical systems), czyli w malutkich układach elektromechanicznych generujących ruch, np. w dźwigniach. To mechanizmy napędzane elektrycznie, podobnie jak silnik elektryczny, tylko w skali mikro – opowiada dr Dominik Kowal.

Prace nad zwiększeniem potencjału baterii jądrowych trwają. – Najprostszym sposobem na to, żeby uzyskać większą moc z baterii, jest zwiększenie jej rozmiaru, bo ta moc będzie skalowana razem z powierzchnią – przedstawia dr Kowal. – Większa powierzchnia zastosowanego radioizotopu wyemituje więcej promieniowania, które przekształcimy  w elektryczność. Jednak większe baterie nie będą tak użyteczne, dlatego ostatecznie sprawa toczy się o gęstość mocy baterii, żeby względnie mała bateria mogła dostarczać względnie dużo mocy, a jednocześnie działać maksymalnie długo. To jest Święty Graal, którego poszukujemy.