Skjematisk illustrasjon av atombatteriet. Tynn nikkelfolie er lagt mellom diamantdioder som sørger for at strømmen bare går i en retning.
Skjematisk illustrasjon av atombatteriet. Tynn nikkelfolie er lagt mellom diamantdioder som sørger for at strømmen bare går i en retning. (Foto: MV.Bormashov et al / Diamond and Related Materials)

Atombatteri til pacemaker

Utvikler atombatterier som skal vare i 100 år

Til pacemakere.

Russiske forskere har utviklet et nytt atomdrevet batteri basert på den radioaktive isotopen Ni-63. Batteriet har ti ganger så høy lagringstetthet som vanlige batterier, og skal kunne vare i 100 år.

Det nye batteridesignet er utviklet ved Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) i samarbeid med the Technological Institute for Superhard and Novel Carbon Materials (TISNCM) og the National University of Science and Technology MISIS.

Batteriet kan lagre omtrent 3,300 milliwatt-timer med energi per gram, noe som er ti ganger mer enn i kommersielle, kjemiske battericeller. Forskningen ble publisert i tidsskriftet Diamond and Related Materials i fjor. 

Kjemiske battericeller er basert på såkalte redoksreaksjoner der elektroner overføres via en elektrolytt fra en elektrode til en annen. Hvis de to terminalene forbindes, begynner elektroner å bevege seg og det skapes en elektrisk strøm. Slike batterier kan ha høy energitetthet, men har ulempen av at de lades ut ganske fort og må enten lades opp igjen eller byttes, noe som i mange tilfeller kan være upraktisk, ikke minst ved pacemakere. 

Betavoltaiske batterier

Den nye batteritypen er basert på teknologi som går helt tilbake til 1913 da Henry Mosley fant ut at det gikk an å generere strøm ved hjelp av betastråling. Ved betastråling sendes vanlige elektroner ut fra atomkjernen med høy energi, og denne strålingen kan brukes til å ionisere en halvleder slik at det genereres spenning.

Batterier som drives av betastråling omtales som betavoltaiske battericeller. Hovedfordelen med dem er levetiden: Radioaktive isotoper har halveringsløsninger fra flere tiår til hundrevis av år, slik at effekten forblir nesten konstant i svært lang tid. Selv om teknologien har vært kjent lenge, har det vært vanskelig å utnytte den fram til nå fordi strømtettheten i betavoltaiske celler er signifikant lavere enn de de tradisjonelle, galvaniske battericellene.

Skjematisk illustrasjon av atombatteriet: Tynn nikkelfolie er lagt mellom diamantdioder som sørger for at strømmen bare går i en retning. Illustrasjon: V.Bormashov et al / Diamond and Related Materials

Et forskerteam ledet av Vladimir Blank har funnet ut hvordan problemet med lagringstettheten kan løses. Fysikerne utviklet et betavoltaisk batteri som bruker Ni-63 som strålekilde og schottky-barrierbaserte diamantdioder til energikonvertering. En schottkydiode kontrollerer retningen i strømflyten i en krets og fungerer omtrent som enveiskjørte gater slik at strøm bare kan gå fra anoden til katoden. Prototypebatteriet oppnådde en utgangsstrøm på omtrent en mikrowatt, mens strømtettheten per kubikkcentimeter var på ti mikrowatt, noe som er tilstrekkelig for en moderne pacemaker. Ni-63 har en halveringstid på 100 år, slik at batteriet pakker sammen omtrent 3300 milliwatt-timer med strøm per gram. Det er ti ganger mer enn elektrokjemiske battericeller.

Prototypen består av 200 diamantdioder, som er innlagt med Ni-63 og stabile nikkelfolielag. Mengden av strøm som genereres av omformeren avhenger av tykkelsen på nikkelfolien og omformeren selv fordi begge påvirker hvor mange betapartikler som absorberes. Hvis folien er for tykk, vil mye av strålingen bli absorbert og ikke komme gjennom. Hvis den er for tynn, reduseres antall atomer som henfaller per enhet tid proporsjonalt. Det er om å gjøre å finne den riktige tykkelsen både på folien og omformerne.

– Strålingen vil ikke være farlig. Nikkel som sådan vil nok være mer giftig enn strålingen fra batteriet

Dag Øistein Eriksen, Kjemisk institutt, UiO

Bruksområder

Informasjonsansvarlig Ilyana Zolotareva ved MIPT bekrefter at de nye batteritypene blant annet kan brukes i pacemakere.

– Spesielt i de enhetene som krever regelmessig batteribytte og service. De kan også drifte autonome trådløse eksterne sensorer og minnebrikke med integrerte forsyningssystemer på romfartøy, sier hun.

Strålingen som genereres fra den radioaktive isotopen skal ikke være farlig for menneskekroppen fordi den lett lar seg avskjerme med en enkel plastavskjerming og farlig gammastråling skal ikke kunne genereres ved denne teknologien.

– Resultatene så langt er ganske bemerkelsesverdige, men vi planlegger å gjøre mer, sier Vladimir Blank, direktør for Technological institute for Superhard og Novel Carbon Materials (TISNCM) og leder av nanostruktur fysikk og kjemi ved MIPT i en uttalelse.

De russiske forskerne håper i fortsettelsen å kunne øke spenningen og batteristrømmen med minst det tredobbelte. De arbeider også med å forstørre overflaten på konverteren slik at de kan øke antallet Ni-63-atomer per konverter.

Et Columbi-egg

Dag Øistein Eriksen fra Kjemisk institutt ved UIO er veldig begeistret over den russiske forskningen, og mener de har funnet en god løsning på to velkjente problemer når det gjelder denne typen batterier.

– Jeg har i mange år interessert meg for å lage batterier basert på radioaktive isotoper, men problemet er at strålingen vil sendes ut i alle retninger og den totale ladningen som blir generert vil alltid være null, forteller han.

– Her har russerne funnet et Columbi-egg ved å benytte en Schottky-diode slik at den strålingen som blir benyttet har riktig retning. Tidligere har batterier som får energien fra radioaktivitet brukt strålingen til varme og så konvertert varmen til elektrisk energi.

Russiske forskere har utviklet et atombatteri basert på betastråling fra den radioaktive isotopen Ni-63. Foto: Technological Institute for Superhard and Novel Carbon Materials

– Det er smart å bruke en diode, da går strømmen bare en vei. Mellom disse diamant-halvlederne bruker de nikkelfolie som bare er to mikrometer tykke, det er veldig tynt, sier han.

Det andre problemet med betavoltaiske batterier er knyttet til energitettheten.

– Ni-63 er en ren beta-emitter med energi ikke mye mer enn for tritium, H-3. Stråling utenfor prøven kan ses helt bort fra. Den er faktisk svært vanskelig å detektere, forteller han.

Det vil med andre ord ikke være forbundet med noen som helst fare å bruke batterier av denne typen.

– Strålingen vil ikke være farlig. Nikkel som sådan vil nok være mer giftig enn strålingen fra batteriet, fastslår han.

Komplisert produksjon

Et større problem er at den aktuelle nikkelisotopen ikke finnes i naturen, men må produseres og den må ha tilstrekkelig høy renhet.

– Ni-63 kan lages ved å bestråle den stabile nikkel-isotopen Ni-62 med termiske nøytroner. Denne isotopen har en hyppighet på 3,6%, og det er sannsynlig at de har benyttet masseseparert Ni-62. Russerne er i dag nesten de eneste som produserer rene isotoper, forteller han.

Dag Øistein Eriksen fra Kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo synes de russiske forskerne har laget en smart løsning. Foto: Primus.inter.pares AS

Det enkleste er ifølge ham å bruke en vanlig kjernekraft-reaktor, som den som står på Kjeller.  For å få mest mulig ut av batteriet må flest mulig av atomene være av den riktige isotopen. For å få til det, må Ni-62 bestråles veldig lenge. Det betyr også at det vil koste en del å produsere den radioaktive isotopen med tilstrekkelig renhetsgrad.

– Men dette er jo likt for alle som bruker Ni-63. De russiske forskerne har klart å oppnå en renhet på 80 prosent, forteller han.

Kjernekjemikeren fra Universitetet i Oslo sier de russiske forskerne har tilgang til en høyfluks-reaktor slik at de kan omdanne svært mye av Ni-62 til Ni-63.

En annen fordel med denne batteriløsningen er at den vil tåle mye høyere temperaturer enn vanlige, kjemiske batterier.

Bruksområdene til slike batterier vil være veldig mange. Med slike batterier i pacemakere vil brukeren neppe behøve å bytte batteri i det hele tatt. Ellers kan batteriene brukes i sensorer der det ikke kreves veldig mye strøm. Batteriene vil virke veldig lenge, helt opp mot hundre år.

– Etter hundre år vil jo bare halve energien være borte fastslår kjernekjemikeren fra Universitetet i Oslo.

Kommentarer (1)

Kommentarer (1)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå