První jaderná diamantová baterie

První jaderná diamantová baterie na světě využívá uhlík 14 (¹⁴C), který má poločas rozpadu 5 700 let, což znamená, že by mohla napájet malá zařízení po tisíce let. Radioaktivní izotop je zabudovaný v mřížce diamantu, což je, jak známo, jedna z modifikací uhlíku. Diamantová baterie „sklízí“ rychle se pohybující elektrony excitované zářením a poskytuje nepřetržitou úroveň výkonu v mikrowattech. Jedná se o nově vznikající technologii, která využívá uměle vyrobený diamant k bezpečnému zapouzdření malých množství uhlíku 14. Tým vědců a inženýrů z Univerzity v Bristolu a z UKAEA (United Kingdom Atomic Energy Authority) spolupracoval na vybudování plazmového depozičního zařízení, specializovaného zařízení používaného pro pěstování diamantu v Culham Campus UKAEA.

Jaderná baterie využívá radioaktivního zdroje zabudovaného do vrstviček diamantu ke spontánní výrobě elektřiny, jak vysvětlili vědci z University of Bristol ve Velké Británii v prohlášení ze 4. prosince 2024. Poprvé demonstrovali prototyp diamantové baterie v roce 2017 – prototyp používal jako radioaktivní zdroj izotop niklu ⁶³Ni. V novém projektu tým vyvinul baterii vyrobenou z radioaktivních izotopů uhlíku 14 zabudovaných do uměle vyrobených diamantů.

Uhlík 14 (¹⁴C)

Výzkumníci si vybrali uhlík 14 jako zdrojový materiál, protože vyzařuje záření krátkého dosahu, které je rychle absorbováno jakýmkoli pevným materiálem a nejsou proto žádné obavy z poškození okolí radiací. Diamant, který uhlík 14 obsahuje, zabraňuje úniku jakéhokoli záření krátkého dosahu. „Diamant je nejtvrdší látka, kterou člověk zná; neexistuje doslova nic, co bychom mohli použít k lepší ochraně,“ uvedl v prohlášení Neil Fox, profesor materiálů pro energetiku na univerzitě v Bristolu. (Uhlík 14 je beta zářič, vysílá při rozpadu elektrony s nízkou energií, pan profesor tedy zdůraznil vlastnost diamantu, kterou lidé znají a je jim srozumitelná.)

Uhlík 14 se vyskytuje v přírodě, kde vzniká v atmosféře vlivem kosmického záření, ale vzniká také v hojném množství v grafitových blocích, které se používají v některých jaderných elektrárnách jako moderátor (zpomalovač rychlých neutronů). Diamantová baterie s uhlíkem 14 funguje tak, že využívá jeho radioaktivní rozpad s poločasem rozpadu 5 700 let a s nízkou úrovní energie. Diamantová matrice zachycuje rychle se pohybující elektrony z nitra diamantové struktury (¹⁴C je zářič beta, vysílá tedy elektrony), ve vložených vrstvičkách polovodičů, a tam pak vzniká elektrický proud.

Málo energie, zato dlouho a stabilně

Jediná jaderná diamantová baterie obsahující 1 gram uhlíku by mohla dodat 15 joulů elektřiny denně. Pro srovnání, standardní alkalická baterie AA, která váží asi 20 gramů, má kapacitu pro ukládání energie 700 joulů na gram. Dodává více energie než jaderná diamantová baterie v krátkodobém horizontu, ale vyčerpá se do 24 hodin.

Naproti tomu poločas rozpadu ¹⁴C je 5 730 let, což znamená, že baterii by trvalo právě tak dlouho, než by se vybila na 50 % energie. (To je pravděpodobně věk nejstarší lidské civilizace na Zemi.) Dalším bodem pro srovnání je, že kosmická sonda poháněná diamantovou baterií s uhlíkem 14 by dosáhla Alfa Centauri – našeho nejbližšího hvězdného souseda, který je asi 4,4 světelného roku od Země – dlouho předtím, než by byla její energie výrazně vyčerpána.

Baterie by se mohla použít v různých aplikacích, včetně elektroniky, lékařských přístrojů a vesmírných letů. Konkrétní použití zahrnuje rentgenové přístroje a lékařské přístroje, které musejí fungovat po dlouhou dobu, ale vyžadují jen nízkou spotřebu, jako jsou kardiostimulátory, oční implantáty, naslouchátka a stroje, které pracují v obtížných a nebezpečných prostředích, jako jsou ropné a plynárenské stroje na mořském dně. Baterie by také mohla být dostatečně malá na to, aby napájela radiofrekvenční štítky pro identifikaci a sledování zařízení a užitečného zatížení na Zemi nebo ve vesmíru.

Baterie, která byla postavena v zařízení pro plazmové nanášení poblíž Abingdonu v hrabství Oxfordshire ve Velké Británii týmem z University of Bristol a britského úřadu pro atomovou energii (UKAEA), jako vedlejší produkt výzkumu jaderné fúze, nemá žádné pohyblivé části, a proto nevyžaduje žádnou údržbu, ani nemá žádné emise uhlíku, což je dnes módní zdůrazňovat.

Čína už něco podobného vyrábí

Technologie jaderných baterií působí jako cosi superexotického a novátorského, ale ve skutečnosti se různé koncepty jaderných baterií objevují už od počátku padesátých let. Ve většině případů šlo o rozmanité podoby radioizotopového termoelektrického generátoru, které se používají především v kosmických aplikacích. Čínská společnost Betavolt pilotně vyrábí baterii BV100 založenou na diamantu a izotopu niklu ⁶³Ni, která generuje 100 mikrowattů při napětí 3 V. (Psali jsme o tom vloni zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/3088-baterie-vydrzi-50-let-bez-dobijeni.) V roce 2025 by se měla objevit větší 1wattová varianta. 

Zdroje: World's 1st nuclear-diamondbatteryofitskindcouldpowerdevicesfor 1000s ofyears | Live Science

December: Diamondbattery media release | News and features | University of Bristol