Bits&Chips

De nucleaire batterij: toe aan een comeback?

14 juni 2018 

Een ‘radioactieve’ batterij die decennialang meegaat, begint een tweede leven nu het tijdperk van het internet der dingen aanbreekt.

Er zijn van die systemen waarvan je de batterij niet kunt wisselen, in ruimtevaartuigen bijvoorbeeld. Soms is het te doen, maar erg onhandig, zoals een in een sensorstation in de diepzee. En soms levert het risico’s op die je liever wilt vermijden, zoals de operatie om een nieuwe batterij in een pacemaker te zetten.

Voor deze en andere toepassingen werden decennia geleden nucleaire batterijen ontwikkeld, die hun energie ontlenen aan radioactiviteit in plaats van aan elektrochemie. De simpelste versies gebruiken de warmte die radioactief materiaal afgeeft als energiebron, in de meer verfijnde bètavoltaïsche batterij converteren halfgeleiders de energie van uitgezonden radioactieve straling in elektrische stroom. De efficiëntie van beide typen is laag, maar daar staat een unieke eigenschap tegenover: een levensduur die kan oplopen tot enkele decennia.

Een groot commercieel succes is de eerste generatie nucleaire batterijen nooit geworden. Bètavoltaïsche batterijen werden gebruikt in de eerste pacemakers, totdat de veel goedkopere lithiumionbatterijen hun plaats innamen. Nucleaire accu’s met grotere vermogens worden sporadisch toegepast in specialistische militaire, wetenschappelijke en lucht- en ruimtevaarttoepassingen. Zo verkent de Curiosity-wagen van Nasa Mars op warmte van plutonium.

Enkele jaren geleden is de bètavoltaïsche batterij echter opnieuw ontdekt. Onder meer de Amerikaanse bedrijven City Labs en Widetronix geven haar een tweede kans in pacemakers, maar ze zien in het tijdperk van het internet der dingen nog veel meer kansen voor hun ‘onbeperkte’ energiebronnen. De wereld wordt immers volgehangen met sensoren, sommige op plaatsen waar je nooit meer bij kunt of waar energie halen uit de omgeving niet mogelijk is.

De wetenschap heeft bovendien in de tussentijd niet stilgestaan. Met de moderne kennis van materialen en met name halfgeleiders kunnen betere en goedkopere bètavoltische batterijen worden ontworpen dan enkele decennia geleden.

Een bètavoltaïsche batterij is in wezen een zonnecel met een bèta-emitter erbovenop. Voor additioneel vermogen worden meerdere eenheden op elkaar gestapeld.

Nucleaire zonnecel

Een bètavoltaïsche batterij heeft veel weg van een zonnecel: in plaats van zonlicht dat een elektron-gat-paar losmaakt in een p-n-overgang, doet een uitgezonden bètadeeltje (een elektron) dat. Elektronen en gaten die in of dicht genoeg bij de uitputtingszone ontstaan, driften uit elkaar en dragen bij aan een elektrische stroom.

Anders dan een foton van de zon genereert één inslaand bètadeeltje meestal meerdere elektron-gat-paren. Daar staat tegenover dat de deeltjesflux van zonlicht vele malen groter is dan van radioactieve straling, waardoor de bètavoltaïsche batterij relatief weinig stroom en derhalve lage vermogens kan produceren. Hoeveel precies hangt af van de aard en hoeveelheid van het radioactieve materiaal. Dat bepaalt ook de levensduur.

De keuze is echter beperkt. Bètastralers zijn er genoeg, maar ze mogen ook weer niet té hard stralen omwille van beschadiging van de halfgeleiders. In de praktijk blijven er daarom drie opties over: tritium (3H), nikkel (63Ni) en promethium (147Pm). De laatste heeft een wel erg lage halfwaardetijd van 2,6 jaar. Tritium - gebruikt door City Labs en Widetronix - is met 12,3 jaar wat dat betreft praktischer, en als bijproduct van veel kernreactoren is het relatief makkelijk verkrijgbaar.

Met een halfwaardetijd van 92 jaar lijkt nikkel de belofte van de nucleaire batterij echter het beste te kunnen waarmaken. Onlangs publiceerden Russische onderzoekers over een 63Ni-batterij met een vermogensdichtheid van tien microwatt per kubieke centimeter - genoeg om een pacemaker te voeden. Helaas is er op dit moment geen stabiele aanvoer van 63Ni, al zijn er wel ideeën over hoe het relatief goedkoop kan worden geproduceerd. Als de businesscases sterk genoeg zijn, komt het er misschien nog eens van.

Abonneer direct op onze nieuwsbrief

abonneren

Digital signal processing

1 oktober - 15 oktober

Eindhoven

C and C++ secure coding

9 oktober - 11 oktober

Eindhoven