مقدمه

باتری‌ها ملزومات زندگی مدرن هستند. راه‌اندازی هر چیزی، از تلفن‌های همراه گرفته تا وسایل نقلیه، به باتری‌ها وابسته است. اغلب باتری‌ها به‌واسطه واکنش‌های شیمیایی عمل می‌کنند. به‌طوریکه انرژی شیمیایی ذخیره شده را تبدیل به انرژی الکتریکی می‌کنند. این واکنش‌های الکتروشیمیایی، هنگامی که یک «بار» برای مثال یک لامپ، به باتری وصل می‌شود شروع می‌شوند و سبب جریان یافتن الکترون‌ها می‌شوند.
باتری‌های متداول در همه جا یافت می‌شوند و ارزان هستند. اما، باتری‌های آینده ممکن است قدرت ایزوتوپ‌های رادیو اکتیو را برای تولید الکتریسیته مهار کنند. باتری‌هایی که از محصولات واپاشی ایزوتوپ‌های رادیواکتیو استفاده می‌کنند به باتری‌های اتمی یا مولدهای رادیو ایزوتوپ مشهور هستند.

اولین باتری اتمی در سال 1913 توسط هنری موزلی ساخته شد. باتری او از یک کره شیشه‌ای با پوششی داخلی از نقره تشکیل شده بود. داخل کره شیشه‌ای یک انتشار دهنده ایزوتوپ رادیو اکتیو از جنس رادیوم بود. ذرات باردار انتشار یافته، روی نقره رسوب کردند و باعث افزایش و تجمیع بار شدند. این اختراع به‌طور موثری یک خازن را ایجاد کرد که به‌طور رادیو اکتیو باردار شده بود و می‌توانست یک جریان الکتریکی از آن استخراج شود.

مزیت خارق العاده باتری‌های اتمی عمر طولانی آن‌ها و کمترین نیازشان به تعمیر و نگهداری است. بنابراین، مولدهای رادیوایزوتوپ برای ماموریت‌های فضایی که سال‌ها به طول می‌انجامد یا برای تولید توان در مکان‌های دور دست، ایده آل هستند. به‌علاوه، باتری‌های اتمی سبک وزن هستند و برخلاف سلول‌های خورشیدی، مستقل از نورخورشید هستند. هم‌چنین، به‌و‌‌سیله کمربندهای تابشی مثل کمربند ون آلن تاثیر نمی‌پذیرند. با این حال، باتری‌های اتمی بسط و توسعه بسیار کند و ابتدایی به‌واسطه هزینه‌های فوق العاده گران در مقایسه با باتری‌های متداول دارند. هم‌چنین نگرانی‌های بهداشت عمومی با توجه به رادیو اکتیویته بودن آن‌ها از جمله معایب‌شان به‌شمار می‌رود.

درست مثل باتری‌های الکتروشیمیایی که می‌توانند توسط واکنش‌های بین مواد مختلف شیمیایی، تغذیه شوند باتری‌های اتمی نیز با فروپاشی ایزوتوپ‌های مختلف رادیو اکتیو، می‌توانند تغذیه شوند. با این حال، اصول تبدیل الکتریسیته، باتری‌های اتمی را در دو دسته متمایز به‌کار می‌گیرد: حرارتی و غیر حرارتی. قدرت خروجی از یک باتری اتمی حرارتی وابسته به دما است در حالی‌که یک باتری غیر حرارتی مستقل از دما است.

تبدیل حرارتی

ناسا و دپارتمان انرژی ایالات متحده به‌طور گسترده ای سیستم‌های قدرت رادیوایزوتوپ را مطالعه کرده‌اند. این مطالعه‌ها در جهت تولید حرارت و الکتریسیته برای ماموریت‌های فضایی طولانی مدت (بیشتر از یک دهه) به ناحیه‌هایی از منظومه شمسی که نور خورشید بسیار ضعیف است، انجام گرفته است که در آن نواحی امکان تبدیل انرژی خورشیدی به‌عنوان یک منبع توان مناسب وجود ندارد. در سال ۲۰۰۵ ایالات متحده ۴۴ مولد ترموالکتریک رادیوایزوتوپ را در ۲۵ ماموریت مختلف راه‌اندازی کرد که شامل ماموریت کاسینی به زحل و ماموریت گالیله به مشتری است.

رادیوایزوتوپ مورد علاقه ناسا پلوتونیوم-238 (Pu238) است رادیوایزوتوپی که برای سلاح‌های هسته ای کاربرد ندارد. محصولات واپاشی پلوتونیوم نه تنها برای تولید الکتریسیته برای توان مورد نیاز فضاپیما کاربرد دارد بلکه حرارت تولید شده به‌وسیله واپاشی رادیو اکتیو، واحدهای گرم کننده (هیتر) رادیو ایزوتوپ را تغذیه می‌کنند که وسایل خارج از فضاپیما را گرم نگه می‌دارند. گرم نگهداشتن وسایل الکترونیکی در اقلیم منجمد کننده فضا ضروری است زیرا اکثر تجهیزات الکترونیکی در برد دمایی نسبتا محدودی عمل می‌کنند. ناسا و دپارتمان انرژی به تامین مالی تحقیقات روی مولدهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ با هدف افزایش بازده تبدیل توان به بالای ۳۵٪ و در عین حال حفظ قابلیت تولید الکتریسیته در فضا ادامه دادند. بیشتر از ده قرارداد دولتی با شرکت‌های خصوصی، در زمینه‌های مختلفی از مولدهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ در جهت تعریف و اجرای ماموریت‌های علمی طولانی مدت و مقرون به صرفه برای ناسا، منعقد شده است.

تبدیل غیر حرارتی

باتری اتمی غیر حرارتی ‌که از انتشار الکترون/ذره بتا الکتریسیته تولید می‌کند به بتاولتائیک مشهور است. یک رادیو ایزوتوپ مناسب برای استفاده در بتاولتائیک‌ها، یک ایزوتوپ از هیدروژن با دو پروتون اضافی است که به آن تریتیوم می‌گویند. به‌دلیل این‌که، تریتیوم نصف انرژی رادیواکتیو خود را در $12.3$ سال (نیمه عمر آن) از دست می‌دهد، بتاولتائيک‌های ساخته شده از تریتیوم می‌توانند بیشتر از یک دهه دوام بیاورند. به‌علاوه ذرات بتای انتشار یافته از تریتیوم به پوست انسان نفوذ نمی‌کنند و نگرانی‌های بهداشت عمومی را مرتفع می‌کنند. این دو مشخصه تریتیوم، آن را برای استفاده در وسایل درمانی مناسب می‌کند. برای مثال، بیماران دریافت کننده ضربان‌ساز قلب، اغلب از باتری ضربان‌ساز بیشتر عمر می‌کنند! و نیاز به عمل جراحی تعویض باتری که تهاجمی و پرخطر است، دارند. ضربان‌سازی که از منبع توان تریتیوم استفاده می‌کند طول عمر باتری ده‌ها ساله دارد و نیاز به عمل جراحی تعویض باتری را منتفی می‌کند. یک مزیت دیگر تریتیوم این است که می‌تواند به‌راحتی از رآکتور هسته‌ای کانادایی به‌دست آید که به‌عنوان محصولات جانبی، آب سنگین تولید می‌کند. اگرچه بتاولتائیک‌ها هنوز گران‌تر از دیگر انواع باتری‌های متداول هستند، با این حال، آن‌ها می‌توانند منبع توان آینده برای دستگاه‌های الکترونیکی نیازمند به حداقل توان در مکان‌های صعب العبور و غیرقابل دسترس باشند.

یوناس یمان

17 مارس 2011
کورس درسی دانشگاه استنفورد

منبع:

http://large.stanford.edu/courses/2011/ph241/yemane1/