1970-ben Párizsban ültették be az első nukleáris meghajtású pacemakert, amely forradalmasította a szívritmus-szabályozók világát. Az ezt követő öt évben több mint 1400 ember kapott ilyen eszközt, főként Franciaországban és az Egyesült Államokban. Ezek az akkumulátorok titánból készült burkolatba zárt radioaktív izotópot – általában körülbelül egy tized gramm plutónium-238-at – tartalmaztak, amelyek évtizedeken át karbantartás nélkül működtek.
A nukleáris pacemakerek jelentősége és problémái
Az újítás megoldást jelentett azoknak a betegeknek, akik korábban néhány évente műtéti beavatkozással cseréltették ki a hagyományos kémiai elemeket tartalmazó pacemakereiket. Azonban az idő múlásával egyre nehezebbé vált ezeknek a radioaktív eszközöknek a nyomon követése. Az Egyesült Államokban például az akkumulátorokat vissza kellett volna juttatni az Energiaügyi Minisztériumhoz a plutónium visszanyerése érdekében, de ez sokszor nem történt meg. Orvosok váltottak munkahelyet, gyártók szűntek meg, betegek elhunytak, családok pedig elfeledkeztek a pacemakerekről. Így gyakran ezek a radioaktív anyagok hamvasztókba vagy koporsókba kerültek.
A helyzet miatt világszerte szabályozók betiltották ezeket az eszközöket, így az utolsó ismert nukleáris pacemakert 1988-ban ültették be. Ezt követően a nukleáris akkumulátorok fejlesztése és alkalmazása gyakorlatilag leállt, kivéve néhány speciális területet, mint például mélyűri űrszondák vagy szibériai világítótornyok.
A technológia újjáéledése és modern alkalmazások
Bár a technológia sosem halt meg teljesen, 2000 után ismét élénk kutatások indultak, bár kereskedelmi áttörés nem történt. Az elmúlt évben azonban számos vállalat és kutatócsoport jelentett be előrelépéseket, amelyek új lendületet adhatnak a nukleáris akkumulátoroknak. Ezek az új fejlesztések nemcsak orvosi implantátumokat vagy űreszközöket céloznak meg, hanem robotokat, drónokat, szenzorokat és naperőműveket is.
Az új generációs technológiák modernebbek és egzotikusabbak, lehetővé téve a valaha készült legfinomabb nukleáris akkumulátorok előállítását. A legnagyobb vonzerő továbbra is az extrém hosszú élettartam: akár több évtized vagy megfelelő üzemanyagválasztással évszázadok is elképzelhetők. Emellett kisebb tömeg mellett képesek nagyobb energiát szolgáltatni, mint a hagyományos kémiai elemek.
Hogyan működnek a nukleáris akkumulátorok?
A „nukleáris akkumulátor” kifejezés hallatán sokan apró atomreaktorokra gondolnak, ám ezek az eszközök nem hasítanak atommagokat neutronbombázással. Ehelyett az atommagok spontán bomlásakor felszabaduló sugárzás energiáját hasznosítják.
A legtöbb fejlesztés radioaktív izotópokból – például nikkel-63-ból vagy hidrogénből – nyeri az energiát. A sugárzás által kibocsátott részecskéket félvezetők nyelik el és alakítják át elektromos árammá, hasonlóan egy napelemhez. Más esetekben termoelektromos eszközök alakítják át a sugárzás hőjét elektromossággá.
Infinity Power például egy újszerű elektrokémiai eljárást alkalmaz a nikkel-63 radioaktív bomlásának elektromos energiává alakítására, amely mikrowattoktól megawattokig skálázható.
Kereskedelmi kihívások és potenciális piacok
A kutatók és vállalatok versenyeznek azért, hogy laboratóriumi sikereiket kereskedelmi termékekké alakítsák át. Az Egyesült Királyság Atomenergia Hatósága (UKAEA), Miami-i City Labs, pekingi Betavolt New Energy Technology Co., valamint Kína Northwest Normal University mind jelentős előrelépéseket értek el az elmúlt években.
A piac sikere nagymértékben függ majd a költségektől, biztonságtól és engedélyezési kérdésektől. Az egyik legígéretesebb alkalmazási terület az ember nélküli űreszközök hosszú távú energiaellátása: míg a Nap közeli pályán hatékonyan működik a napenergia, Jupiter távolságában már csak 4%-a áll rendelkezésre Földi értéknek.
Ezért mélyűri küldetésekhez csak a nukleáris hasadás vagy radioizotóp alapú energiaforrás jöhet szóba. A nagyobb teljesítményigényekhez fission reaktorokat használnak (például NASA holdi reaktor terve), míg kisebb energiaigényekhez egyszerűbb és könnyebb radioizotóp akkumulátorokat.
Radioizotóp energiaforrások: nem csak pacemakerekhez
A NASA Voyager küldetései például három-három RTG-t (radioizotóp termoelektromos generátort) visznek magukkal, amelyek kb. 38 kg súlyúak és 4,5 kg plutónium-238-at tartalmaznak. Ezek kezdetben 157 watt elektromos teljesítményt adtak le, ami mára kb. 88 wattra csökkent.
A Szovjetunió több mint ezer RTG-t telepített Északnyugat-Oroszországban világítótornyokhoz és időjárás-állomásokhoz strontium-90 alapúakkal – ezek egyenként kb. 2000 kg súlyúak voltak. Az USA is telepített hasonló rendszereket távoli helyeken, például az Északi-sarkvidéken.
Új lehetőségek és korlátok
Bár sok eszköz profitálna hosszú élettartamú akkumulátorokból – például autók élettartamáig működő vezeték nélküli gumiabroncsnyomás-érzékelők –, a radioaktív akkumulátor használata kockázatokkal és költségekkel jár.
Egy másik fontos tényező a radioaktív anyag nyomon követése és biztonságos kezelése: szinte minden országban engedélyhez kötött ezek kereskedelme és használata. Ez bonyolulttá teszi széles körű alkalmazásukat.
Katonai alkalmazások és autonóm rendszerek
Egy ígéretes új terület lehet a katonai energiaellátás: katonák gyakran olyan távoli vagy instabil helyeken dolgoznak, ahol nincs lehetőség eszközeik töltésére. A nukleáris akkumulátorok akár századrésznyi tömegükkel jelentős előnyt jelentenének hordozhatóságban.
Ezen kívül autonóm szenzorokat vagy rovarméretű repülő mikrodronokat is elláthatnának energiával – bár ezek begyűjtése nehézségekbe ütközhetne és radioaktív hulladékot hagyhatna maguk után.
Mérnöki kihívások: betavoltaikus vs alphavoltaikus technológiák
A kereskedelmi méretű nukleáris akkumulátor fejlesztése számos kompromisszumot igényel költség, teljesítmény, biztonság és élettartam között.
- Üzemanyagválasztás: Radioaktív izotóp kiválasztása – alfa-, béta- vagy gamma-sugárzó –, melyek közül gamma-sugárzókat nehéz biztonságosan kezelni.
- Béta- és alfa-részecskék: Béta-részecskék közepes behatolási képességű elektronok; alfa-részecskék nagy energiájú részecskék papírral is blokkolhatók, de károsíthatják a félvezetőket.
- Izotópok: Nikkel-63, hidrogén (tritium), szén-14, polónium-210 stb., melyek különböző felezési idővel rendelkeznek (pl. tritium ~12 év; plutónium-238 ~88 év; szén-14 ~5700 év).
- Biztonság: Tritium és nikkel-63 biztonságosabbak alacsony energiájú béta-sugárzásuk miatt; tritium gáz halmazállapotú lehet kihívást jelentve.
- Költség: Radioizotópok beszerzése drága és bonyolult folyamat; pl. tritium ára kb. 30 000 USD/gramm.
Energiaátalakítási módszerek
Kezdetben egyszerű töltésgyűjtéses módszerekkel állították elő az elektromosságot magas feszültségen (kilovoltok), ami nehézkes volt. A félvezetők használata lehetővé tette alacsonyabb feszültség (néhány volt) mellett hatékonyabb átalakítást – ezt hívjuk betavoltaikus technológiának.
A betavoltaikus elemekben egy radioaktív emitter béta-részecskéket bocsát ki, amelyek elektronlyuk-párt hoznak létre egy félvezetőben (pl. szilícium-dióda), így stabil elektromos áram keletkezik – hasonlóan egy napelemhez.
Ezeknek az elemeknek általában néhány százalékos hatásfoka van (szilícium-diódával), de szilícium-karbid vagy gyémánt félvezetők akár 10–23% hatásfokot is elérhetnek.
Nagyobb teljesítmény esetén alfa-emittereket használnak hőenergiává alakító technológiákkal (termoelektromos generátorok), mint amilyeneket NASA küldetések RTG-jeiben alkalmaznak.
Kik fejlesztik ma a nukleáris akkumulátorokat?
- Beijing Betavolt New Energy Technology Co: Kb. gabonapelyhes méretű (15x15x5 mm) 100 µW-os elem fejlesztése 50 éves élettartammal; tervezett 1 W-os változat kereskedelmi bevezetése 2025-ben.
- Infinity Power (San Diego): Nikkel-63 alapú elektrokémiai konverziós technológia >60% hatásfokkal; kisebb mennyiségű izotópot igényelhet.
- Egyetemek és állami kutatóintézetek: Bristol Egyetem karbon-14 alapú elem fejlesztése több ezer éves élettartammal; UKAEA aktív szereplője a kutatásnak.
- Kínai kutatócsoport: Radiolumineszcens nukleáris elem fejlesztése X-sugaras modellezéssel; laboratóriumi siker várható további fejlesztésekhez.
Záró gondolatok
A nukleáris akkumulátor-technológia története izgalmas fejlődést mutat: az első pacemakerektől napjaink innovációiig számos kihívással kellett szembenézniük a fejlesztőknek. A hosszú élettartamú energiaforrásként való alkalmazásuk számos területen forradalmasíthatja az energiaellátást – legyen szó orvosi implantátumokról, mélyűri küldetésekről vagy autonóm robotokról.
Mindezek mellett azonban továbbra is kulcsfontosságú lesz a biztonságos kezelésük biztosítása és megfelelő piaci igény megtalálása ahhoz, hogy valódi áttörést érjenek el ezen a területen.
