סוללות אטומיות, הידועות יותר באופן רשמי כמכשירים רדיואיזוטופים תרמואלקטריים (RTGs), הן מכשירים מתוחכמים של אנרגיה המרה שהופכת את החום המשוחרר על ידי דעיכה רדיואקטיבית טבעית של איזוטופים מסוימים ישירות לחשמל.בניגוד לסוללות כימיות או לתאי דלק, אשר מסתמכים על תגובות אלקטרוכימיות ודורשים תכופים או דלקים, סוללות אטומיות יכולות לפעול ברציפות במשך עשרות שנים ללא כל חלק חיצוני או חיצוני, שכן ההתפתחות שלהם באמצע המאה ה-20, במיוחד, הן הופכות חיוניות של טכנולוגיות חלליות, ופתרונות אלה, במיוחד, ופתרונות בלתי-אוויריים, כאשר הן ממושכים, כולל טכנולוגיות חלליות, והופכים ליישומים לא-אוויריים, והופכים ליישומים לא-אוויריים, במיוחד, והופכים ליישומים של אנרגיה, והופכים אותם, והופכים אותם, והופכים אותם, והופכים אותם, והופכים אותם לזיהומים בעלי עוצמה בלתי-אוויריים בעלי עוצמה בלתי-אוויריים בעלי עוצמה, ופתרונות חיוניים, והופכים אותם, כגון אלה, ופתרונות חיוניים, כולל אקלים קיצוניות, כולל אקלים קיצוניות, כולל אקלים, כולל אקלים, ויישומים לאמצעים לא-אוויריים, כולל אקלים בלתי-אוויריים, ויישומים לא-אוויר

איך סוללות אטומיות פועלות?

בלב ליבה של סוללה אטומית הוא עיקרון פיזי פשוט אך אלגנטי: אפקט ה-Seebeck.כאשר שני חומרים מוליכים או סמי-מוליכים למחצה מצטרפים ליצירת תרמוקופיל, מתח נוצר אם הבדל טמפרטורה נשמר על פני הצומת.ב RTG, צד אחד של התרמוסופטה מחומם על ידי האנרגיה של איזוטופ רדיואקטיבי, בעוד הצד השני הוא נשמר על ידי טמפרטורה קרירה יותר, בדרך כלל, דרך חום זרם חשמלי.

המקור הרדיואקטיבי הוא בדרך כלל מחלחל במגידה מתכתית חזקה, קורוזיון עמידת שנועדה להכיל את החומר גם בתנאים קיצוניים כגון שיגור תאונות או כניסה מחדש לתוך האווירה של כדור הארץ. כמו איזוטופה דעיכה, הוא פולט חלקיקי אלפא, חלקיקים בטא, או קרינת gamma, אשר מתנגשים עם החומר שמסביב ומייצר חום זה הוא אז מקבילה למערך חם של צומת מחובר ונוגדילה הנוכחית.

מכיוון של- RTGs אין חלקים נעים - לא פימונים, טורבינות או גנרטורים - הם אמינים במיוחד ועמידים בפני ללבוש מכני.הפשטות שלהם גם מאפשרת להם לתפקד בוואקום של החלל, תחת לחץ האוקיינוס, או בקור קיצוני ללא אובדן ביצועים.יעילות המרה טיפוסית מ-5% עד 8% עבור עיצובים באמצעות שימוש ב-peride או סיליקון הידרואלקטרי, אבל חומרים חדשים כמו ננו-או-אופטיקה יותר.

Isotopes רדיואקטיביים נפוצים בשימוש

הבחירה של איזוטופ היא קריטית לביצועים, בטיחות וארוכות של סוללה אטומית.איזוטופ האידיאלי צריך להיות חצי חיים, צפיפות אנרגיה גבוהה, דרישות מגן נמוך, וייצור מינימלי של קרינה חודרת הדורשת מגן כבד. 3 איזוטופים הופיעו כמועמדים המעשיים ביותר.

פלוטוניום-238 (Pu-238)

מוטו-238 הוא תקן הזהב עבור RTGs מבוסס שטח, בעיקר בגלל שהוא מתכווץ בעיקר על ידי פליטת אלפא, ייצור שום קרינה גמא משמעותית הדורשת הגנה כבדה. עם מחצית חיים של 87.7 שנים, הוא מספק תפוקת חשמל עקבית לאורך עשרות שנים - תוספת 1 ו-Weramager 2, הושקה ב-1977, עדיין להסתמך על ®F-238Gs כדי לתקשר עם כדור הארץ, אם כי כוח המיוצר בהדרגה דחיסות פחמן מהירות גבוהה.

Strontium-90 (Sr-90)

Sr-90 הוא מוצר פשפשתן חלקיקים בטא ויש לו מחצית חיים של 28.8 שנים.הוא מייצר כמויות מועילות של חום, אם כי בצפיפות כוח נמוכה יותר מ- 238, פליטת הבטא שלה היא קלה יחסית להגן עם רק שכבה דקה של מתכת. היסטורית, Sr-90 RTGs הוצבו ביישומים מרוחקים כגון אורות בתחנות הארקטיות, אך הן בשימוש במזג אווירי תיבות של אבטחה מוגבלות של USCredias.

Cesium-137 (Cs-137)

Cs-137 יש מחצית חיים של כ -30 שנים ו פולט הן gamma והן beta קרינה. פליטות gamma שלה דורש הגנה כבדה יותר, אשר מפחית את היתרון הכולל של אנרגיה של RTG. כתוצאה מכך, Cs-137 משמש לעתים רחוקות סוללות אטומיות מודרני למעט בהקשרים מיוחדים - למשל, במחקר או כמקורות cabration שלה הוא בעיקר, אבל הבנה היסטורית היא תכונות ניהול בטוח.

חידוש Isotopes

מחקר לתוך איזוטופים חלופיים הוא מתמשך, מונע על ידי היצע מוגבל ועלות גבוהה של Pu-238. Americium-241 (Am-241), מוצר של פלוטוניום, יש מחצית חיים של 432 שנים ומספק פלט תרמי נמוך יותר לגרם, אך הוא הרבה יותר בשפע והוא יכול להיות מופק מבזבוז גרעיני.

יתרונות של סוללות אטום

המאפיינים הייחודיים של RTGs מספקים מספר יתרונות החלטיים על סוללות אלקטרו-כימיות, תאי דלק כימיים, או לוחות סולאריים, במיוחד ביישומים קריטיים של המשימה שבו הכישלון אינו אופציה.

  • (FLT:0) חיים ארוכים ללא שכפול.BuildFLT) 1 משום שדעיכה רדיואקטיבית אינה תלויה בטמפרטורה והתקדמות בקצב קבוע, RTG יכול לספק כוח לכל החיים התפעוליים של המכשיר - לעתים קרובות 30 שנים או יותר. סיבולת זו אינה אפשרית סוללות ליתיום-יון, הדורשות תחליף תקופתי או קידוד.
  • (FLT:0) אמינות שלא תואמת.FLT:1 ללא חלקים נעים, RTGs חסינים מפני כשל מכני, עייפות רטט או חיכוך.הם יכולים לשרוד זעזועים קיצוניים, השקות גבוהות וטמפרטורות מ -200 מעלות צלזיוס ל- +200 מעלות צלזיוס ללא השפלה בביצועים.
  • (FLT:0) תלות מאור השמש.FLT:1 פאנלים סולאריים לאבד את היעילות מעבר למסלול מאדים, בסביבות גיל המעבר, או באזורים הקוטביים האפלים. RTGs לספק כוח מתמשך ללא קשר למרחק מהשמש, מה שהופך אותם חיוניים לחיפושי כוכב הלכת החיצוני (Jupiter, Saturn Uranus, נפטון) ולאוירנים הפועלים במכתשים לצמיתות על הירח או מרקורי.
  • (FLT:0) צפיפות כוח גבוהה עבור מסה המערכת.FreaLT:1 למרות משקל של מערכת RTG מלאה - כולל מגן, חום דחיית כספים, ואת הממיר תרמואלקטרי - הוא משמעותי, היחס הכולל של מספרי חשמל עולה על כך של מערכות זמן חלופיות, במיוחד כאשר הוא גורם במשקל של סוללות או דלק.
  • (FLT:0) תחזוקה מינימלית.FLT:1 פעם פרוס, סוללה אטומית ניתן להשאיר ללא השגחה במשך שנים.זה קריטי עבור מיילדות עמוקות, תחנות קדחתניות אוטונומיות, וחיישנים צבאיים באזורים מרוחקים שבהם גישה אנושית מסוכנת או אסורה באופן לוגיסטי.

אתגרים ושיקולי בטיחות

למרות היתרונות יוצאי דופן, סוללות אטומיות גם להציג הנדסה, רגולציה, ובטיחות מכשולים. דאגות ציבוריות וסביבתיות יש לטפל קפדניות, וכל שלב של מחזור החיים של RTG - מהייצור והטיפול לרשות הסופית - הוא כפוף לפרוטוקולים נוקשים.

קרינה מגן ו Handling

בעוד שאיזוטופים של אלפא-ממיטינג כמו פו-238 יכולים להיות מוגנים עם שכבת מתכת דקת, כל הפרה של החיפוי יכול לשחרר חומרים רעילים ורדיואקטיביים.עובדים המעורבים בייצור והרכבה של RTGs חייבים להשתמש בציוד מרוחק ומגן כבד, במיוחד כאשר מתמודדים עם איזוטופים לייצור gamma-production.

סיכונים סביבתיים וזיהום

אם RTG נכשל באופן קטסטרופלי - למשל, בפיצוץ רכב או במהלך כניסה בלתי מבוקרת - חומר רדיואקטיבי יכול להיות מפוזר לתוך הסביבה. מהנדסים להפחית את הסיכון הזה באמצעות שכבות מרובות של מכילות, קללות השפעה עמידים, וחומרים כי הם חסרי כלול ביולוגית אינפורמטיבי.

איאיזוטופים מפחידים ועלויות

פו-238 אינו נמצא באופן טבעי בכמויות מועילות, ויש לייצר בכורים גרעיניים בבעלות ממשלתית כגון ה-Flux Isotope Reactor ב- Oak Ridge National Laboratory.שיעור הייצור מוגבל, והעלות גבוהה מאוד - לעתים קרובות מאות אלפי דולרים לקילוגרם. המחסור הזה מגביל את השימוש של RTGs למשימות שבהן אין חלופה.

סיקור ו-Reulatory Hurdles

השימוש בחומרים רדיואקטיביים בכל יישום צרכני או ציבורי מעלה חששות לגבי בטיחות לטווח ארוך, סיכונים בטרור וניהול הפסולת.קבלת האישורים הדרושים למשימות חלל כרוכות בסוכנויות מרובות - נאס"א, מחלקת האנרגיה, הסוכנות להגנת הסביבה, וועדת הריגולציה הגרעינית של ארה"ב - כל אחד עם הצהרות סביבתיות ספציפיות ותקופות תגובה ציבוריות.

תגיות: Atomic Batteries

RTGs הוכיחו את הערך שלהם במגוון רחב של סביבות קיצוניות, החל מהוואקום הקר של החלל ועד למעמקי המעמקים המחץ של האוקיינוס.

חקר החלל

Space היא היישום הבולט ביותר עבור סוללות אטומיות.כל משימה עמוקה בחלל כי נוסע מעבר לחגורת האסטרואיד התבסס על כוח RTG. החללית התאום וויאג'ר, עכשיו מעל 40 שנים, עדיין מעבירה נתונים מדעיים מהחלל בין כוכבי הלכת הודות ל-Pu-238 RTGs. יותר לאחרונה, הקרדיות והפרנסורים על מאדים בכל אחת מהן מכילים אווירה RTG המספקת חשמל וחום, המאפשרת פעילות גופנית מתקדמת ל-DNSF קרוב יותר, בעודם של טיטאן-F מתקרבת כוח הרהורים, בעודוחם, בעודו של טיטאן-F מתקרבת, בעודוולדת, בעודו של רדיודקים את כוח קר יותר, בעודו של 1F מתקרב ל-F מתקרבת, בעודוריד, בעודוריד, בעודוטר, בעודוטרנסוורטסנסוורטסנסוורטסינג' 1-F מתקרב לגשם, בעודוולד, בעודומטר השמש, בעודו של מאדים, בעודוולד, בעודוטרנסרקורדינג' 1F מתקרב ל-F מתקרב ל-F מתקרב ל-R.

כוח רחוק וחיל הנחתי

על פני כדור הארץ, RTGs שימשו כדי כוח buoys ניווט, אורהאוס, חיישנים מזג אוויר, ותחנות סיסמיולוגיות באזורים מרוחקים.ברית המועצות פרוסה מעל אלף Sr-90 RTGs לאורך הארקטי שלה כדי להאיר את החופים במהלך המלחמה הקרה.רבים מהם כבר מרוחקים והוחלפו עם היברידיות סולאריות, אבל כמה מהם נותרו מבצעיים במקומות שבהם נמצאת גם במקומות שבהם נמצאת בשימוש ימיים על ידי רדיו.

יישומים רפואיים וקטנים

המחקר ממשיך להשתמש סוללות אטומיות קטנות מאוד עבור מכשירים רפואיים מושתלים כגון קוצרים ונוירויים. בשנות ה-70, כמה אלפי קוצני קצבים המופעלים על ידי פלוטוניום-238 הושתלו בחולים; מכשירים אלה נמשכו יותר מ-20 שנים ללא תחליף.גירסאות מודרניות באמצעות סוללות בטאוולטאיות נמצאים בפיתוח, FLT:0as המתועדים על ידי הסוכנות לאנרגיה אטומית הבין-לאומית, למרות שעדיין דורשות של התפתחות, החל מבעוד שעדיין לא ניתן לשפר את הפרוצדורות של התפתחות, החל ממושכות חיים, החלימים, ללא טיפול כירורגיים, ללא טיפול יעיל, החל מבעוד שעדיין דורשות, החל מבעוד מועדים של שנים.

פיתוח עתידי

העתיד של סוללות אטומיות מעוצב על ידי חידושים בחומרים תרמואלקטריים, ייצור איזוטופ, ומיניון. החוקרים דוחקים באופן פעיל את הגבולות כדי להפוך את מקורות הכוח האלה יעילים יותר, בטוחים יותר, נגישים יותר.

חומרים נורמטיביים מתקדמים

RTGs להשתמש ⁇ Semiconductor למחצה כגון חומרים מספרים מובילים (PbTe) או סיליקון-germanium (SiGe) אשר להשיג יעילות המרה סביב 6–8%.חומרי הדור הבא - כולל skutterudites, חצי-Heusler תרכובות תרמואלקטריות - יעילות גבוהה יותר 12 עד 15%, עלייה דרמטית של מספר קיבולת אנרגיה של מספר רב-תועלת גבוהה של LTS.

מקורות חדשים של איאיזוטופ ומרקיגה

כדי להקל על המחסור ב- 238, נאס"א וה- DOE החלו לייצר מחדש באמצעות מטרות Neptunium-237 שהוצבו בכורים ב-flux.החבילות החדשות הראשונות של pu-238 הועברו בשנת 2016, והייצור המשיך באופן מצטבר.בינתיים, סוכנות החלל האירופית רודפת את Am-241 כחלופה, אשר ניתן להפיק מפסולת גרעינית, אשר יכולה לשמש יותר ויותר לרדיו ביתי, כדי להשתמש במשימות חום מבטיחות.

מיני-אורטר "Nuclear Batteries"

בקנה מידה המחקר, מדענים מפתחים מכשירים בטאבולטיים באמצעות סרטים דקים של טריטייום או ניקל-63 בשילוב עם ממירי אנרגיה למחצה מוליכים למחצה.אלה מייצרים כמויות קטנות מאוד של כוח (מיקרווואט) אבל יכול להימשך מאה או יותר. יישומים פוטנציאליים כוללים חיישנים אלחוטיים עבור ניטור תשתיות, מערכות מיקרו-אלקטרוניקה (MEMS), וחיישנים רפואיים מושתלים:0A מובנה נייר בשנת 2021:

חידושים בטיחות

עיצובים חדשים משלבים גם קלפטציה מודולרית, רב שכבתית וניתוק חום לא בטוח כדי למנוע התכה או שחרור.מהנדסים גם לחקור "מאמין עצמי" RTGs כי יהיה נועד לצלול ללא נזק לתוך תעלות האוקיינוס העמוק אם נכנס מחדש ללא שליטה, או כדי להתחסן על השפעה מהירה כדי למנוע זיהום הקרקע.

מסקנה

סוללות אטומיות, או רדיואיזוטופים תרמואלקטריים, נותרו אחד המקורות החזקים והארוכים ביותר של כוח אשר אי פעם המציאו.היכולת שלהם לפעול במשך עשרות שנים ללא תחזוקה בסביבות העוינות ביותר – מוואקום החלל ועד לתחתית הים – גורמת להם להיות בלתי ניתנים להחלפה עבור קבוצות מסוימות של משימה, בעוד האתגרים של עלויות, מחסור איזוטופים, בטיחות, רגולציה, מתמשך, מחקר לתוך חומרים מתקדמים, שואף לצמצום של אנרגיה גרעינית, כדי להמשיך ולצמצם את היכולות שלהם, תוך שנים עמוק יותר, כדי לקדם את היכולות של אנרגיה גרעינית, תוך כדי אטומיות, תוך כדי אטומיות, תוך כדי למערכות אנרגיה חיצונית, תוך כדי למערכות אנרגיה, תוך כדי אטומיות, תוך כדי אטומיות, תוך כדי אטומיות, כדי אטומיות, כדי אטומיות, כדי למערכות אנרגיה, תוך כדי אטומיות, תוך כדי למערכות אנרגיה, תוך כדי למערכות אנרגיה, כדי אטומיות, תוך כדי למערכות אנרגיה חיצונית, תוך כדי למערכות אוויריות, תוך כדי כך, תוך כדי כך, כדי למערכות אנרגיה, תוך כדי כך, תוך כדי כך, תוך כדי כך, כדי כך, כדי כך, כדי כך, כדי למערכות אנרגיה חיצונית, תוך כדי כך, כדי כך