Oto bateria, której nigdy nie trzeba ładować. Chcę ją
Wyobraź sobie świat, w którym pojęcie ładowarki odchodzi do lamusa. Telefon nie dopomina się o prąd, inteligentny zegarek wciąż odmierza czas po dekadzie użytkowania, a drony wykonują obloty przez lata nie lądując z powodu rozładowanej baterii. Brzmi jak techno-utopia?
To już nie science fiction, lecz powoli stająca się rzeczywistość z laboratorium Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology (DGIST) w Korei Południowej oraz partnerujących ośrodków badawczych.
Kluczowe w nowej technologii są tzw. baterie betawoltaiczne, które zamieniają energię promieniowania beta - emitowanego przez izotopy promieniotwórcze, np. węgiel-14 - bezpośrednio na prąd elektryczny. To nie reaktor atomowy w kieszeni, lecz inteligentnie zaprojektowany układ, w którym beta-cząstki uderzają w specjalny półprzewodnik, wywołując lawinę elektronów i generując użyteczną ilość elektryczności. Dzięki odpowiedniemu ekranowaniu promieniowanie nie wydostaje się na zewnątrz i nie stanowi zagrożenia dla użytkownika - cienka warstwa aluminium wystarcza, by wyłapać całą aktywność.
Nie bez powodu wybór padł na izotop węgla C-14. Jest to pierwiastek znany z datowania radiowęglowego, ale w tym wypadku wykorzystuje się jego powolny rozpad (połowiczny czas rozpadu wynosi ponad 5700 lat), by zasilać elektronikę całymi dekadami - a teoretycznie nawet tysiącleciami. W praktyce zanim atomy zdążą osłabnąć urządzenie, które będą zasilać, dawno straci sens istnienia.
To też jest ciekawe:
Czemu ta bateria jest inna niż wszystkie?
Nowatorskość rozwiązania polega nie tylko na zasilaniu betawoltaicznym, ale też na doborze materiałów. Koreański zespół pod kierownictwem prof. Su-Ila In opracował nowy typ półprzewodnika - tlenek tytanu (TiO₂), wzbogacony barwnikiem na bazie rutenu. Dzięki zaawansowanym reakcjom powierzchniowym i tzw. chemicznej obróbce cytrynianem powstał ogniwo, w którym elektrony wywołane przez promieniowanie C-14 zostają wyzwolone w sposób wyjątkowo wydajny. Obydwie elektrody baterii są naszprycowane radioaktywnym izotopem - w efekcie zwiększono nie tylko ilość generowanych beta-cząstek, ale i zminimalizowano straty energii na drodze pomiędzy nimi.
Efekt? Radykalny wzrost sprawności energetycznej betawoltaicznego ogniwa: z 0,48 proc. aż do 2,86 proc. - to pięciokrotny postęp względem poprzednich rozwiązań. Owszem, na tym etapie prototyp jest o wiele mniej wydajny niż nowoczesne ogniwa litowo-jonowe, ale przewaga nowatorskiej baterii tkwi w czymś zupełnie innym: skali czasu działania. Gdy akumulatory Li-ion zaczynają po roku-dwóch łapać zadyszkę nuklearne ogniwo pracuje nieprzerwanie przez dekady.
Zastosowania: medycyna, wojsko, IoT - i twoje codzienne gadżety?
Potencjał nowych baterii jest trudny do przecenienia. Przede wszystkim skorzystają implanty medyczne, takie jak rozruszniki serca - obecnie wymagają one wymiany po kilku latach, co oznacza kolejne, ryzykowne operacje. Z nuklearnym ogniwem wystarczy jeden zabieg na całe życie. Podobnie w rozwoju technologii wojskowych, stacjach pomiarowych do pracy w ekstremalnym klimacie, czy elektronice odległej od sieci energetycznych - wszędzie tam, gdzie nieopłacalna lub niemożliwa jest częsta wymiana/ładowanie źródła zasilania.
A co z naszymi smartfonami, zegarkami, słuchawkami albo czujnikami smart home? Na razie prototypy generują zbyt mało mocy, by zasilić prądożerny telefon, ale - rozwijając technologię i optymalizując system odbioru energii z promieniowania beta - można sobie wyobrazić rzeczywistość, w której ładowanie staje się wspomnieniem, a hardware wymieniamy wtedy, gdy naprawdę się znudzi lub zużyje.
Czy bateria dożywotnia jest w ogóle bezpieczna?
Słowo nuklearna bywa straszakiem, szczególnie w nagłówkach. Ale w rzeczywistości stosowana tu technologia wyróżnia się wysokim poziomem bezpieczeństwa. Promieniowanie beta jest dużo łatwiej ekranować niż inne rodzaje radioaktywności - już cienka warstwa tworzywa zatrzymuje wszystkie cząstki. Co więcej źródłem izotopu jest produkt uboczny elektrowni jądrowych, więc ograniczamy odpady radioaktywne i zaprzęgamy je do pracy - dosłownie odpad zyskuje drugie życie.
Same ogniwa są hermetycznie zamknięte i zaprojektowane tak, by podczas uszkodzenia nie wydostał się żaden materiał aktywny. Od strony środowiskowej i bezpieczeństwa użytkownika taki gadżet może być nawet mniej kłopotliwy niż konwencjonalne akumulatory - te ostatnie po spaleniu lub rozbiciu potrafią faktycznie być dużo bardziej toksyczne.
Od laboratorium do świata mainstreamu - co nas dzieli od rewolucji?
Zanim półka sklepowa zapełni się telefonami na wieczną baterię minie trochę czasu. Trzeba poprawić wydajność przetwarzania energii i zoptymalizować procesy produkcyjne. Zespół prof. In planuje prace nad miniaturyzacją i masową produkcją nowych ogniw. Jednak śmiałe wizje już dziś podbijają wyobraźnię - jeśli technologia wyjdzie poza sferę naukowych ciekawostek sektor elektroniki użytkowej zaliczy największy przełom od dekad.
W tej sytuacji inwestorzy, firmy i entuzjaści mają powody do ekscytacji. A dla całego ekosystemu technologicznego to szansa na odejście od nieekologicznych akumulatorów litowo-jonowych, zamienienie wąskiego gardła na etapie użytkowania w zaletę oraz... odzyskanie cennego czasu traconego codziennie na ładowarki, powerbanki i szukanie gniazdek.
