Zou het niet geweldig zijn als jij nooit Moet u uw mobiele telefoon opladen? Ik ben er zeker van dat veel mensen dat onlangs dachten, toen een bedrijf met de naam BetaVolt zei dat het een ‘nucleaire batterij’ ter grootte van een dubbeltje had ontwikkeld die vijftig jaar mee zou gaan. Is het echt? Het is. Kun jij binnenkort een van deze forever-telefoons kopen? Waarschijnlijk niet, helaas, omdat… nou ja, natuurkunde. Laten we eens kijken waarom.
Alle batterijen doen hetzelfde: ze produceren elektriciteit om wat werk te doen. Maar energie is niet gratis. Als die taak muziek afspeelt op uw Bluetooth-luidsprekers, moet er iets zijn dat het vermogen vermindert. In de goede oude AA is er een chemische reactie om elektriciteit te produceren. Die chemische reactie duurt niet eeuwig, dus de batterij zal uiteindelijk leeglopen.
In een nucleaire batterij is de energiebron een stuk radioactief materiaal, en dat zal blijven draaien als een Energizer-konijn totdat de bron niet langer radioactief is – wat niet voor altijd is, maar wel een stuk langer. Dit is niet echt nieuw. De ruimtesonde Voyager 1, gelanceerd in 1977, heeft een nucleaire batterij. Het is nu meer dan 25 miljard kilometer verwijderd en er is nog steeds wat sap over. Dat zijn behoorlijk goede kilometers!
Het specifieke type op Voyager wordt een radio-isotoop thermo-elektrische generator genoemd, wat een grote naam is voor wat eigenlijk een stuk plutonium in een doos is. Terwijl plutonium vervalt, zet het massa om in energie, waardoor warmte ontstaat. Als je er een solid-state-apparaat op plakt, produceert het temperatuurverschil tussen de hete en koude metalen een spanning en zorgt ervoor dat er elektrische stroom gaat vloeien.
Het is een beetje gek dat alleen een temperatuurverschil elektriciteit kan opwekken, maar je kunt het thuis testen met koperdraad en een paperclip (zonder plutonium), door het ene uiteinde in ijswater te leggen en het andere uiteinde in warm water. Dit type voeding is ideaal voor ruimtesondes, omdat hij geen bewegende delen heeft, dus niet kapot gaat en tientallen jaren meegaat.
Nu maakt deze door BetaVolt aangekondigde nieuwe batterij gebruik van een andere technologie, bètavoltaïsche opwekking. In plaats van warmte-energie te gebruiken, vangt het de uitgestoten elektronen, bekend als bètadeeltjes, op uit een radioactieve isotoop van nikkel om een elektrisch circuit te vormen. Het bestaat uit verschillende lagen nikkel, ingeklemd tussen diamantplaten, die als halfgeleider dienen. Er zijn hier heel veel coole dingen, dus laten we erin duiken.
Wat gebeurt er bij radioactief verval?
Nikkel-63 is een isotoop van de stabiele versie van het element, nikkel-58. Dat getal is het atoomgewicht: het totale aantal protonen en neutronen in de atoomkern. Nikkel-63 heeft vijf extra neutronen, waardoor het onstabiel is. Na verloop van tijd zal een van die extra neutronen vervallen tot een proton en een nieuw elektron produceren. Met het extra proton zal het atoom nu koper-63 zijn, het volgende element in het periodiek systeem. Deze kernreactie produceert energie door met hoge snelheid een elektron uit een atoom te werpen.
Het is belangrijk om te weten dat de snelheid van radioactief verval niet constant is; hangt af van het aantal atomen van het aanwezige materiaal, dus de elektronenproductie neemt in de loop van de tijd exponentieel af. In het geval van nikkel-63 zal de helft van de atomen binnen ongeveer 96 jaar vervallen – we zeggen dat het een ‘halfwaardetijd’ heeft van 96 jaar.