A hagyományos lítiumion-alapú újratölthető elemek élettartama korlátozott, hulladékká válva pedig szennyezik a környezetet. Ezért a kutatók olyan elemekkel kísérleteznek, amelyek ártalmatlan radioaktív sugárzást használnak energiaforrásnak, és elvben akár évezredekig is működhetnek.
A cikkben szó lesz – többek között – arról:
- A lítiumion-alapú újratölthető elemeknek számos hátrányuk van, ráadásul a technológiát már nem nagyon lehet tovább fejleszteni.
- A következő nagy ugrást a radioaktív sugárzást használó energiaforrások jelenthetik, amelyek akár évezredekig is kibírják töltés nélkül.
- Az új típusú elemek a radioaktív hulladék problémájára is megoldást kínálhatnak.
Gyakori eset, hogy a mobiltelefonok előbb lemerülnek a vártnál, vagy hogy az elektromos járművek nem érnek el a tervezett úti célig újratöltés nélkül. Azok a lítiumion-alapú újratölthető elemek, amelyek ezeket a berendezéseket működtetik, rendszerint órákig, legfeljebb pár napig húzzák feltöltés nélkül. Ráadásul minden lemerülés-újratöltés ciklussal csökken a kapacitásuk, és egyre gyakrabban kell őket feltölteni.
Koreai kutatók most azzal kísérleteznek, hogy a szén 14-es radioaktív izotópját használják olyan biztonságos, kisméretű és elérhető árú nukleáris elemek előállítására, amelyek évtizedekig, vagy akár még tovább is bírhatják feltöltés nélkül. Su-Il In, a dél-koreai Daegu Gyeongbuk Tudományos és Technológiai Intézet professzora az American Chemical Society tavaszi konferenciáján mutatta be az új bétavoltaikus elemekkel kapcsolatos úttörő elképzeléseket.
Mi a legnagyobb baj a lítiumion-elemekkel?
Az, hogy a lítiumion-elemeket gyakran kell tölteni, nemcsak szimpla kényelmetlenség, hanem korlátozza a technológia energiaforrásként való alkalmazhatóságát az olyan berendezésekben, mint például a drónok vagy a távérzékelők. Ráadásul a lítiumion-elemek a környezetre is ártalmasak:
a lítium bányászata rendkívül energiaigényes, és az elhasznált, kidobott elemek nem megfelelő hulladékkezelés esetén mérgezik az élővilágot.
A hálózatba kapcsolt eszközök, az adatközpontok és egyéb modern számítástechnikai platformok terjedésével egyre nő az igény a hosszú ideig működőképes elemekre.
Abban nem érdemes reménykednünk, hogy a lítiumion-technológia további toldozásával-foldozásával válaszolni tudunk erre a kihívásra.
A lítiumion-elemek teljesítménye már lényegében csúcsra van járatva
– figyelmeztet In, aki a jövő energiatechnológiáinak szakértője. In és munkatársai azért fejlesztik a nukleáris elemeket, mert bennük látják a lítiumelemek alternatíváját.
Nukleáris elemek hozhatják el a várva várt forradalmat?
A nukleáris elemeket a radioaktív atommagok által kibocsátott nagyenergiájú részecskék működtetik. Nem minden radioaktív sugárzás veszélyes az élőlényekre: bizonyos sugárzástípusokat könnyű befogni és leárnyékolni. A béta-részecskéket például egy vékony alumíniumlemez – sőt, igazából akár egy papírlap – is megállítja, ezért a béta-sugárzó izotópok biztonságos alapanyagot jelentenek a nukleáris elemek számára.
A kutatók a szén instabil, radioaktív 14-es változatának, az ún. radiokarbon izotópnak a felhasználásával alkották meg bétavoltaikus elemük prototípusát.
Azért döntöttem a szén radioaktív izotópja mellett, mert ez kizárólag béta-részecskéket bocsát ki
– magyarázza In.
Emellett a radiokarbon az atomerőművek működésének egyik melléktermékeként olcsó, könnyen hozzáférhető, és könnyen újrahasznosítható.
És mivel a radiokarbon nagyon lassan bomlik, egy általa fenntartott elem elvben akár évezredekig is működhet.
Hogyan működik?
Egy tipikus bétavoltaikus elemben a béta-elektronok egy félvezető anyagba ütköznek, s ezzel elektromosságot hoznak létre. A félvezetők ezért a bétavoltaikus elemek kulcsfontosságú összetevői, mivel elsődlegesen ezek felelősek az energia átalakításáért. A tudósok ebből kifolyólag olyan újszerű, továbbfejlesztett félvezetőket próbálnak előállítani, amelyek jobb energiaátalakítási hatékonysággal működnek, vagyis hatékonyabban fordítják át a béta-sugárzás energiáját használható elektromossággá.
A koreai kutatók az energiaátalakítási hatékonyság jelentős növelése érdekében a napelemekben közönségesen használt titán-dioxid-alapú félvezetőt egy ruténium-alapú pigmenttel érzékenyítették, majd citromsavas kezeléssel erősítették a titán-dioxid és a ruténium-pigment közötti kötést. Amikor a radiokarbon által kibocsátott sugárzás a ruténium-alapú pigmentnek ütközik, elektronátadási reakciók sorozata következik be, ún. elektronlavina alakul ki. Ez az elektronzuhatag először áthalad a pigmenten, majd a titán-dioxid hatékonyan összegyűjti a keletkezett elektronokat.
Az újfajta elemben mind a pigmenttel érzékenyített anód, mind a katód tartalmaz radiokarbont.
A prototípus működésének bemutatása során a kutatók azt tapasztalták, hogy mindkét elektród radiokarbon-tartalmából származó béta-sugarak elérték és gerjesztették az anód ruténium-alapú pigmentjét. Az így létrejött elektronlavinát a titándioxid-réteg összegyűjtötte és egy külső áramkörbe továbbította, így hasznosítható elektromosság keletkezett. A korábbi kialakítással összehasonlítva, amelyben csak a katód tartalmazott radiokarbont, a katódban és az anódban egyaránt radiokarbont hordozó elem energiaátalakítási hatékonysága jelentős mértékben, 0,48%-ról 2,86%-ra nőtt.
Ígéretes technológiai előrelépés, de hosszú még az út a gyakorlati alkalmazásig
A hosszú élettartamú nukleáris elemekre számos alkalmazási lehetőség vár – húzta alá In. Példaként említette, hogy egy ilyen elemmel működő pacemaker a páciens teljes élettartamát végigszolgálhatná, így nem lenne szükség elemcserére és a vele járó sebészi beavatkozásra.
Azonban a bétavoltaikus elem még a jelenlegi, javított formájában is csak a radioaktív bomlásból származó energia parányi törtrészét alakítja elektromossággá, s teljesítménye jóval elmarad a hagyományos lítiumion-alapú elemekétől.
In úgy véli, hogy a bétasugár-kibocsátó komponens alakjának optimalizálásával és hatékonyabb bétasugár-elnyelő anyagok kidolgozásával sokat lehetne még javítani az elem teljesítményén.
A klímaváltozással kapcsolatos aggályok nyomán a közvéleményben változik az atomenergiáról alkotott kép, ugyanakkor az emberek még mindig úgy gondolnak az így termelt energiára, mint ami egy távoli erőműből érkezik hozzájuk. Ám ezekkel az új kialakítású bétavoltaikus elemekkel – érvel In – „biztonságos atomenergiát tudunk telepíteni egy ujjnyi méretű berendezésbe”.
