Russische onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT), het Technologisch Instituut voor Superharde en Nieuwe Koolstofmaterialen (TISNCM), en de National University of Science and Technology MISIS hebben het ontwerp geoptimaliseerd van een nucleaire batterij die stroom genereert uit het bètaverval van nikkel-63, een radioactieve isotoop. Hun nieuwe batterijprototype bevat ongeveer 3, 300 milliwattuur energie per gram, wat meer is dan in enige andere kernbatterij op basis van nikkel-63, en 10 keer meer dan de specifieke energie van commerciële chemische cellen. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Diamant en aanverwante materialen .

Gewone batterijen die klokken van stroom voorzien, zaklampen, speelgoed, en andere elektrische apparaten gebruiken de energie van zogenaamde redoxchemische reacties waarbij elektronen via een elektrolyt van de ene elektrode naar de andere worden overgebracht. Hierdoor ontstaat een potentiaalverschil tussen de elektroden. Als de twee accupolen dan zijn verbonden door een geleider, elektronen beginnen te stromen om het potentiaalverschil op te heffen, het opwekken van een elektrische stroom. Chemische batterijen, ook bekend als galvanische cellen, worden gekenmerkt door een hoge vermogensdichtheid, dat wil zeggen de verhouding tussen het vermogen van de opgewekte stroom en het volume van de batterij. Echter, chemische cellen ontladen in relatief korte tijd, het beperken van hun toepassingen in autonome apparaten. Sommige van deze batterijen, accumulatoren genoemd, zijn oplaadbaar, maar zelfs ze moeten worden vervangen om op te laden. Dit kan gevaarlijk zijn, zoals in het geval van een pacemaker, of zelfs onmogelijk, als de batterij een ruimtevaartuig van stroom voorziet.

Gelukkig, chemische reacties zijn slechts een van de mogelijke bronnen van elektrische energie. 1913, Henry Moseley vond de eerste stroomgenerator uit op basis van radioactief verval. Zijn kernbatterij bestond uit een glazen bol die aan de binnenkant verzilverd was met een radiumzender in het midden op een geïsoleerde elektrode. Elektronen als gevolg van het bètaverval van radium veroorzaakten een potentiaalverschil tussen de zilverfilm en de centrale elektrode. Echter, de rustspanning van het apparaat was veel te hoog - tientallen kilovolts - en de stroom was te laag voor praktische toepassingen.

In 1953, Paul Rappaport stelde het gebruik van halfgeleidende materialen voor om de energie van bètaverval om te zetten in elektriciteit. Bètadeeltjes - elektronen en positronen - uitgezonden door een radioactieve bron ioniseren atomen van een halfgeleider, het creëren van niet-gecompenseerde ladingdragers. In aanwezigheid van een statisch veld van een pn-structuur, de ladingen stromen in één richting, waardoor een elektrische stroom ontstaat. Batterijen aangedreven door bètaverval werden bekend als bètavoltaïsche cellen. Het belangrijkste voordeel van bètavoltaïsche cellen ten opzichte van galvanische cellen is hun lange levensduur. Radioactieve isotopen die in kernbatterijen worden gebruikt, hebben een halfwaardetijd van tientallen tot honderden jaren, dus hun vermogen blijft gedurende een zeer lange tijd vrijwel constant. Helaas, de vermogensdichtheid van bètavoltaïsche cellen is aanzienlijk lager dan die van hun galvanische tegenhangers. Ondanks dit, betavoltaïsche cellen werden in de jaren 70 gebruikt om pacemakers van stroom te voorzien, voordat ze worden uitgefaseerd door goedkopere lithium-ionbatterijen, ook al hebben deze een kortere levensduur.

Betavoltaïsche stroombronnen moeten niet worden verward met thermo-elektrische radio-isotopengeneratoren, of RTG's, die ook wel kernbatterijen worden genoemd, maar werken volgens een ander principe. Thermo-elektrische cellen zetten de warmte die vrijkomt bij radioactief verval om in elektriciteit met behulp van thermokoppels. Het rendement van RTG's is slechts enkele procenten en is afhankelijk van de temperatuur. Maar vanwege hun lange levensduur en relatief eenvoudig ontwerp, thermo-elektrische energiebronnen worden veel gebruikt voor het aandrijven van ruimtevaartuigen zoals de New Horizons-sonde en Marsrover Curiosity. RTG's werden eerder gebruikt op onbemande afgelegen faciliteiten zoals vuurtorens en automatische weerstations. Echter, deze praktijk werd verlaten, omdat gebruikte radioactieve brandstof moeilijk te recyclen was en in het milieu terechtkwam.

Een onderzoeksteam onder leiding van Vladimir Blank, de directeur van TISNCM en voorzitter van nanostructuurfysica en -chemie aan het MIPT, bedacht een manier om de vermogensdichtheid van een kernbatterij bijna te vertienvoudigen. De natuurkundigen ontwikkelden en vervaardigden een bètavoltaïsche batterij met nikkel-63 als stralingsbron en op Schottky-barrière gebaseerde diamantdiodes voor energieconversie. De prototypebatterij bereikte een uitgangsvermogen van ongeveer 1 microwatt, terwijl de vermogensdichtheid per kubieke centimeter 10 microwatt was, wat genoeg is voor een moderne kunstmatige pacemaker. Nikkel-63 heeft een halfwaardetijd van 100 jaar, dus de batterij packs ongeveer 3, 300 milliwattuur vermogen per 1 gram - 10 keer meer dan elektrochemische cellen.

Het prototype van de kernbatterij bestond uit 200 diamantconverters die waren ingelegd met nikkel-63 en stabiele nikkelfolielagen (figuur 1). De hoeveelheid stroom die door de converter wordt gegenereerd, is afhankelijk van de dikte van de nikkelfolie en de converter zelf, omdat beide invloed hebben op hoeveel bètadeeltjes worden geabsorbeerd. Momenteel beschikbare prototypes van nucleaire batterijen zijn slecht geoptimaliseerd, omdat ze een te groot volume hebben. Als de bètastralingsbron te dik is, de elektronen die het uitzendt kunnen er niet aan ontsnappen. Dit effect staat bekend als zelfabsorptie. Echter, omdat de bron dunner is gemaakt, het aantal atomen dat per tijdseenheid bètaverval ondergaat, wordt proportioneel verminderd. Een soortgelijke redenering geldt voor de dikte van de converter.

Het doel van de onderzoekers was om de vermogensdichtheid van hun nikkel-63-batterij te maximaliseren. Om dit te doen, ze simuleerden numeriek de passage van elektronen door de bètabron en de converters. Het bleek dat de nikkel-63-bron het meest effectief is als deze 2 micrometer dik is, en de optimale dikte van de converter op basis van Schottky-barrièrediamantdiodes is ongeveer 10 micrometer.

Productietechnologie

De belangrijkste technologische uitdaging was de fabricage van een groot aantal diamantconversiecellen met een complexe interne structuur. Elke converter was slechts tientallen micrometers dik, als een plastic zak in een supermarkt. Conventionele mechanische en ionische technieken voor het dunner worden van diamant waren niet geschikt voor deze taak. De onderzoekers van TISNCM en MIPT ontwikkelden een unieke technologie om dunne diamantplaten op een diamantsubstraat te synthetiseren en af ​​te splitsen tot massaproductie ultradunne converters.

Het team gebruikte 20 dikke met borium gedoteerde diamantkristalplaten als substraat. Ze werden gekweekt met behulp van de temperatuurgradiënttechniek onder hoge druk. Ionenimplantatie werd gebruikt om een ​​defecte, 100 nanometer dikke, "beschadigde" laag in het substraat op een diepte van ongeveer 700 nanometer. Op deze laag werd een met boor gedoteerde diamantfilm van 15 micrometer dik gegroeid door middel van chemische dampafzetting. Het substraat onderging vervolgens gloeien bij hoge temperatuur om grafitisering van de begraven defecte laag te induceren en de bovenste diamantlaag te herstellen. Elektrochemisch etsen werd gebruikt om de beschadigde laag te verwijderen. Na de scheiding van de defecte laag door etsen, de halffabrikaatconverter was voorzien van ohmse en Schottky-contacten.

Toen de operaties herhaald werden, het verlies aan substraatdikte bedroeg niet meer dan 1 micrometer per cyclus. In totaal zijn er 200 converters gekweekt op 20 substraten. Deze nieuwe technologie is belangrijk vanuit economisch oogpunt, omdat diamantsubstraten van hoge kwaliteit erg duur zijn en daarom massaproductie van converters door het dunner worden van het substraat niet haalbaar is.

Alle converters waren parallel geschakeld in een stapel, zoals weergegeven in figuur 1. De technologie voor het rollen van 2 micrometer dikke nikkelfolie is ontwikkeld door het onderzoeksinstituut en de wetenschappelijke industriële vereniging LUCH. De batterij was verzegeld met epoxy.

Het prototype batterij wordt gekenmerkt door de stroom-spanningscurve weergegeven in figuur 3a. De nullastspanning en de kortsluitstroom zijn 1,02 volt en 1,27 microampère, respectievelijk. Het maximale uitgangsvermogen van 0,93 microwatt wordt verkregen bij 0,92 volt. Dit vermogen komt overeen met een specifiek vermogen van ongeveer 3, 300 milliwattuur per gram, dat is 10 keer meer dan in commerciële chemische cellen of de vorige nikkel-63 kernbatterij ontworpen door TISNCM.

in 2016, Russische onderzoekers van MISIS hadden al een prototype bètavoltaïsche batterij op basis van nikkel-63 gepresenteerd. Nog een werkend prototype, gemaakt bij TISNCM en LUCH, werd gedemonstreerd op Atomexpo 2017. Het had een nuttig volume van 1,5 kubieke centimeter.

De belangrijkste tegenvaller bij het op de markt brengen van nucleaire batterijen in Rusland is het gebrek aan productie- en verrijkingsfaciliteiten voor nikkel-63. Echter, er zijn plannen om tegen het midden van de jaren 2020 de productie van nikkel-63 op industriële schaal te starten.

Er is een alternatieve radio-isotoop voor gebruik in kernbatterijen:Dimond-converters kunnen worden gemaakt met behulp van radioactieve koolstof-14, met een extreem lange halfwaardetijd van 5, 700 jaar. Werk aan dergelijke generatoren werd eerder gerapporteerd door natuurkundigen van de Universiteit van Bristol.

Kernbatterijen:vooruitzichten

Het werk dat in dit verhaal wordt beschreven, heeft vooruitzichten voor medische toepassingen. De meeste moderne pacemakers zijn meer dan 10 kubieke centimeter groot en hebben een vermogen van ongeveer 10 microwatt nodig. Dit betekent dat de nieuwe kernbatterij kan worden gebruikt om deze apparaten van stroom te voorzien zonder noemenswaardige veranderingen in hun ontwerp en grootte. "Perpetual pacemakers" waarvan de batterijen niet vervangen of onderhouden hoeven te worden, zouden de levenskwaliteit van patiënten verbeteren.

De ruimtevaartindustrie zou ook veel baat hebben bij compacte kernbatterijen. Vooral, er is vraag naar autonome draadloze externe sensoren en geheugenchips met geïntegreerde voedingssystemen voor ruimtevaartuigen. Diamant is een van de meest stralingsbestendige halfgeleiders. Omdat het ook een grote bandgap heeft, het kan werken in een breed temperatuurbereik, waardoor het het ideale materiaal is voor nucleaire batterijen die ruimtevaartuigen aandrijven.

De onderzoekers zijn van plan hun werk aan kernbatterijen voort te zetten. Ze hebben verschillende onderzoekslijnen geïdentificeerd die moeten worden nagestreefd. Ten eerste, het verrijken van nikkel-63 in de stralingsbron zou het batterijvermogen proportioneel vergroten. Ten tweede, het ontwikkelen van een diamanten p-i-n-structuur met een gecontroleerd dopingprofiel zou de spanning verhogen en zou daarom het uitgangsvermogen van de batterij met minstens een factor drie kunnen verhogen. Ten derde, het vergroten van het oppervlak van de converter zou het aantal nikkel-63-atomen op elke converter vergroten.

TISNCM-directeur Vladimir Blank, die ook voorzitter is van nanostructuurfysica en -chemie aan het MIPT, commentaar op de studie:"De resultaten tot nu toe zijn al behoorlijk opmerkelijk en kunnen worden toegepast in de geneeskunde en ruimtetechnologie, maar we zijn van plan om meer te doen. In de afgelopen jaren, ons instituut is tamelijk succesvol geweest in de synthese van gedoteerde diamanten van hoge kwaliteit, vooral die met n-type geleidbaarheid. Hiermee kunnen we de overstap maken van Schottky-barrières naar p-i-n-structuren en zo een drie keer groter batterijvermogen bereiken. Hoe hoger de vermogensdichtheid van het apparaat, hoe meer toepassingen het zal hebben. We hebben behoorlijke mogelijkheden voor hoogwaardige diamantsynthese, dus we zijn van plan om de unieke eigenschappen van dit materiaal te gebruiken voor het maken van nieuwe stralingsbestendige elektronische componenten en het ontwerpen van nieuwe elektronische en optische apparaten."