Een nieuw soort nucleaire batterij kan drie keer zo efficiënt opereren dan huidige exemplaren. De batterij kan maar liefst 50 jaar lang energie leveren.
De batterij is ontwikkeld door Chinese onderzoekers onder leiding van hoogleraar Haisheng San van de Universiteit van Xiamen in China en hoogleraar Xin Li van het Chinese Instituut voor Atoomenergie. De nucleaire batterijen bevatten strontium-90 (90Sr) radio-voltaïsche cellen (RPVC), die gebaseerd zijn op een golfgeleider-lichtconcentratie (WLC)-structuur. Dit ontwerp combineert meerlaagse, gestapelde GAGG:Ce-scintillatie-golfgeleiders met 90Sr radio-isotopen.
50 jaar lang stroom
Het gebruik van nucleaire batterijen biedt diverse voordelen. Zo biedt de batterij volgens de onderzoekers driemaal de efficiëntie van bestaande batterijen. Daarnaast kan de batterij maar liefst 50 jaar lang stroom geven. Daarbij produceren cellen in de batterij licht uit radioactiviteit, dat vervolgens met behulp van fotovoltaïsche cellen wordt omgezet in stroom.
Dit biedt kansen voor gebruik in uitdagende locaties, zoals moeilijk bereikbare plekken. Denk daarbij aan de ruimte of afgelegen gebieden op aarde, waar batterijen langere tijd autonoom moeten opereren zonder dat bijvoorbeeld onderhoud kan worden uitgevoerd.
Hogere efficiëntie
De onderzoekers melden dat een prototype van de nucleaire batterij een maximale output van 48.9 μW heeft gerealiseerd. Daarbij wist de batterij energie om te zetten met een efficiëntie van 2,96%. Dit klinkt wellicht laag, maar is hoger dan andere beschikbare nucleaire batterijen.
Ook is op dit prototype een test uitgevoerd waarbij de batterij is blootgesteld aan een hoeveelheid elektronenbundelbestraling die gelijk staat aan vijftig jaar gebruik. Evaluatie van het prototype wijst uit dat de prestaties van de batterij met slechts 13,8% zijn gedegradeerd. Op basis hiervan concluderen de onderzoekers dat WLC-gebaseerde RPVC’s een hogere output in combinatie met een hoge stabiliteit op de lange termijn kunnen leveren.
‘Balans tussen efficiëntie en stabiliteit’
“Wij hebben een RPVC ontworpen en gefabriceerd die een balans bereikt tussen efficiëntie en stabiliteit. De WLC-structuur zorgt voor een drie keer hogere energie-omzettingsefficiëntie in vergelijking met conventionele RPVC-structuren. Bestraling equivalent aan 50 jaar gebruik bevestigt dat WLC-gebaseerde RPVC’s uitstekende langetermijnstabiliteit vertonen”, stellen de onderzoekers.
“Hoewel grootschalige productie van RPVC’s nog wordt beperkt door uitdagingen zoals massaproductie en kosteneductie van 90Sr-radio-isotopen, vormen de huidige onderzoeksresultaten een aanzienlijke stap voorwaarts in de ontwikkeling van toepassingen voor kernbatterijen.”
De onderzoekers beschrijven hun bevindingen in een wetenschappelijk artikel, dat zij hebben gepubliceerd in Light: Science & Applications.
