Atomkraft gilt als saubere Energiequelle, weil sie keine Kohlendioxidemissionen verursacht; gleichzeitig produziert sie jedoch riesige Mengen an gefährlichem, radioaktivem Abfall, der sich als anhäuft.weltweit werden immer mehr Reaktoren gebaut.
Experten haben für dieses Problem verschiedene Lösungen vorgeschlagen, um die Umwelt und die Gesundheit der Menschen besser zu schützen. Bei unzureichendem sicheren Lagerraum für die Entsorgung von nuklearen Abfällen liegt der Schwerpunkt dieser Ideen auf der Wiederverwendung der Materialien.
RadioaktivDiamantbatterien wurden erstmals 2016 entwickelt und wurden sofort gelobt, weil sie eine neue, kostengünstige Art des Recyclings von Atommüll versprachen. In diesem Zusammenhang ist es unvermeidlich zu überlegen, ob sie die ultimative Lösung sind diese giftigen, tödlichen Rückstände.
Was sind radioaktive Diamantbatterien?
Radioaktive Diamantbatterien wurden zuerst von einem Team von Physikern und Chemikern des Cabot Institute for the Environment der University of Bristol entwickelt. Die Erfindung wurde als Betavoltaik-Gerät präsentiert, was bedeutet, dass es durch den Betazerfall von Atommüll angetrieben wird.
Beta-Zerfall ist eine Art radioaktiver Zerfall, der auftritt, wenn der Kern eines Atoms einen Überschuss an Teilchen hat und einige von ihnen freisetzt, um ein stabileres Verhältnis von Protonen zu Neutronen zu erhalten. Dies erzeugt eine Art ionisierende Strahlung namens Beta-Strahlung, die beinhaltetviele schnelle und energiereiche Elektronen oder Positronen, die als Beta-Teilchen bekannt sind.
Betateilchen enthalten Kernenergie, die durch einen Halbleiter in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Eine typische Betavoltaikzelle besteht aus dünnen Schichten radioaktiven Materials, die zwischen Halbleitern angeordnet sind. Wenn das Kernmaterial zerfällt, emittiert es Betateilchen, die Elektronen im Halbleiter lösen und einen elektrischen Strom erzeugen.
Die Leistungsdichte der radioaktiven Quelle ist jedoch geringer, je weiter sie vom Halbleiter entfernt ist. Da Beta-Teilchen zudem zufällig in alle Richtungen emittiert werden, treffen nur wenige von ihnen auf den Halbleiter und nur aeine kleine Anzahl davon wird in Strom umgewandelt, was bedeutet, dass Atombatterien viel weniger effizient sind als andere Arten von Batterien. Hier kommt der polykristalline Diamant PCD ins Spiel.
Die radioaktiven Diamantbatterien werden mit einem Verfahren hergestellt, das als chemische Gasphasenabscheidung bezeichnet wird und weit verbreitet für die Herstellung künstlicher Diamanten verwendet wird. Es verwendet eine Mischung aus Wasserstoff- und Methanplasma, um Diamantfilme bei sehr hohen Temperaturen zu züchten. Forscher haben den CVD-Prozess so modifiziert, dasszüchten Sie radioaktive Diamanten, indem Sie ein radioaktives Methan verwenden, das das radioaktive Isotop Kohlenstoff-14 enthält, das auf bestrahlten Reaktorgraphitblöcken gefunden wird.
Diamantist eines der härtesten Materialien, die die Menschheit kennt – es ist noch härter als Siliziumkarbid. Und es kann sowohl als radioaktive Quelle als auch als Halbleiter fungieren. Setzen Sie es Betastrahlung aus und Sie erhalten eine langlebige Batterie, dieEs muss nicht wieder aufgeladen werden. Der Atommüll in seinem Inneren heizt ihn immer wieder auf, sodass er sich ewig selbst aufladen kann.
Das Bristol-Team warnte jedoch, dass ihre radioaktiven Diamantbatterien nicht für Laptops oder Smartphones geeignet wären, da sie nur 1 g Kohlenstoff-14 enthalten, was bedeutet, dass sie eine sehr geringe Leistung liefern – nur wenige Mikrowatt, was weniger als . isteine typische AA-Batterie, daher ist ihre Anwendung bisher auf kleine Geräte beschränkt, die lange Zeit unbeaufsichtigt bleiben müssen, wie Sensoren und Herzschrittmacher.
Nano-Diamant-Radioaktive Batterien
Die Ursprünge von Atombatterien lassen sich bis ins Jahr 1913 zurückverfolgen, als der englische Physiker Henry Moseley herausfand, dass Teilchenstrahlung einen elektrischen Strom erzeugen kann. In den 1950er und 1960er Jahren war die Luft- und Raumfahrtindustrie sehr an Moseleys Entdeckung interessiert, da sie potenziell möglich warRaumfahrzeug für Langzeitmissionen antreiben. Die RCA Corporation erforschte auch eine Anwendung für Atombatterien in Radioempfängern und Hörgeräten.
Aber andere Technologien waren erforderlich, um die Erfindung zu entwickeln und aufrechtzuerhalten. In dieser Hinsicht wird die Verwendung von synthetischen Diamanten als revolutionär angesehen, da sie der radioaktiven Batterie Sicherheit und Leitfähigkeit verleihen. Mit der Zugabe von Nanotechnologie, einem amerikanischen Unternehmenbaute eine Hochleistungs-Nano-Diamant-Batterie.
Die NDB Inc. mit Sitz in San Francisco, Kalifornien, wurde 2012 mit dem Ziel gegründet, eine sauberere und umweltfreundlichere Alternative zu herkömmlichen Batterien zu schaffen. Das Startup stellte 2016 seine Version diamantbasierter Batterien vor und kündigte zwei Machbarkeitsstudien anTests im Jahr 2020. Es ist eine der Firmen, die versucht, radioaktive Diamantbatterien zu kommerzialisieren.
Nano-Diamant-Batterien von NDB werden als Alpha-, Beta- und Neutronenvoltaik-Batterien beschrieben und haben laut ihrer Website mehrere neue Funktionen.
- Haltbarkeit. Das Unternehmen schätzt, dass die Batterien bis zu 28.000 Jahre halten könnten, was bedeutet, dass sie Raumfahrzeuge in Langzeitmissionen, Raumstationen und Satelliten zuverlässig antreiben könnten. Drohnen, Elektroautos und Flugzeuge auf der Erde müssten nie gemacht werdenwird nicht mehr aufgeladen.
- Sicherheit. Diamant ist nicht nur eine der härtesten Substanzen, sondern auch eines der wärmeleitfähigsten Materialien der Welt, das zum Schutz vor der Hitze der Radioisotope beiträgt, aus denen die Batterie besteht, und sie sehr schnell in elektrischen Strom umwandelt.
- Marktfreundlichkeit. Dünnfilmschichten aus PCD in diesen ermöglichen es der Batterie, unterschiedliche Formen und Formen zuzulassen. Aus diesem Grund können Nano-Diamant-Batterien vielseitig einsetzbar sein und in verschiedene Märkte eintreten, von den oben genannten Raumfahrtanwendungen bis hin zur Unterhaltungselektronik. Die Verbraucherversion würde dies nicht tunhalten jedoch mehr als ein Jahrzehnt.
Nano-Diamant-Batterien sollen 2023 auf den Markt kommen.
Arkenlight, die englische Firma, die Bristols radioaktive Diamantbatterie vermarktet, plant, ihr erstes Produkt, eine Mikrobatterie, in der zweiten Hälfte des Jahres 2023 auf den Markt zu bringen.
Die Zukunft radioaktiver diamantbasierter Batterien
Die Portabilität moderner elektronischer Geräte, die zunehmende Popularität von Elektrofahrzeugen und die Rennen des 21. JahrhundertsDie Menschheit auf lange Weltraummissionen zum Mars zu bringen, hat in den letzten Jahren ein wachsendes Interesse an der Batterietechnologieforschung geweckt.
Einige Batterietypen sind für bestimmte Anwendungen besser geeignet und für andere nicht so nützlich. Aber wir können sagen, dass die herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, mit denen wir vertraut sindwird nicht durch radioaktive Diamantbatterien ersetzt jederzeit bald.
Herkömmliche Batterien halten zwar kürzer, sind aber auch viel günstiger in der Herstellung. Problematisch ist aber gleichzeitig, dass sie nicht so lange halten sie haben eine Lebensdauer von ca. fünf Jahren weil sie auchproduzieren viel Elektroschrott, der nicht einfach zu recyceln ist.
Radioaktive Diamantbatterien sind praktischer, weil sie eine viel längere Lebensdauer haben als herkömmliche Batterien. Wenn sie zu einer universellen Batterie entwickelt werden können, wie es NDB Inc. vorschlägt, könnten wir Smartphone-Batterien erhalten, die viel länger halten als die Lebensdauerdes Smartphones, und wir könnten den Akku einfach von einem Telefon zum nächsten wechseln, so wie wir jetzt die SIM-Karte übertragen.
Allerdings wird die von Arkenlight entwickelte Diamant-Betavoltaik nicht so weit gehen. Das Unternehmen arbeitet an Designs, die viele ihrer Kohlenstoff-14-Betabatterien zu Zellen stapeln. Um eine Hochleistungsentladung zu ermöglichen, könnte jede Zelle von einer kleinenSuperkondensator, der eine hervorragende Schnellentladungsfähigkeit bieten könnte.
Allerdings hat auch dieses radioaktive Material eine Lebensdauer von mehr als 5000 Jahren. Sollte diese Strahlung gasförmig aus dem Gerät austreten, könnte dies ein Problem sein. Hier kommen die Diamanten ins Spiel. In der Diamantformation, das C-14 ist ein Feststoff, daher kann es nicht von einem Lebewesen extrahiert und absorbiert werden.
Ter Die Atomenergiebehörde des Vereinigten Königreichs UKAEA hat berechnet, dass 100 Pfund ca. 45 kg Kohlenstoff-14 die Herstellung von Millionen von langlebigen Batterien auf Diamantbasis ermöglichen könnten. Diese Batterien könnten auch Reduzierung der Kosten für die Lagerung von Atommüll.
Der Forscher der University of Bristol, Professor Tom Scott, sagte Kernenergie-Insider das, "Durch die Entfernung des Kohlenstoff-14 aus bestrahltem Graphit direkt aus dem Reaktor würden die verbleibenden Abfallprodukte weniger radioaktiv und daher einfacher zu handhaben und zu entsorgen sein. Die Kostenschätzungen für die Entsorgung des Graphitabfalls liegen bei 46.000 Pfund $60.000 proKubikmeter für mittelaktiven Abfall ILW und 3.000 Pfund 4.000 USD pro Kubikmeter für schwachaktiven Abfall LLW."
Müssen all diese Eigenschaften sie nicht zu einer der besten Optionen für die nachhaltige Zukunft machen, die wir brauchen? Wir müssen abwarten, ob die Hersteller einen Weg finden, mit den Produktionskosten und dem geringen Energieverbrauch umzugehen, undihre diamantbasierten Batterien kostengünstig und zugänglich auf den Markt zu bringen.