S určitou pravidelnosťou sa v médiách objavujú články o vývoji rádionuklidových betavoltických batérií, ktoré by údajne mohli napájať smartfón po mnoho desaťročí. Skúsim popísať, prečo mi tento koncept nedáva v dohľadnej dobe zmysel.
V úplnej krátkosti, čo je vlastne betavoltický zdroj? Jedná sa o koncept využitia a priamej premeny beta jadrového žiarenia z niektorých rádionuklidov na elektrickú energiu. V médiách sa nedávno objavila betavoltická batéria s rozmermi 15x15x5mm na báze izotopu niklu Ni-63 s výstupným napätím cca 3V a výkonom asi 100 μW. Táto by sama o sebe smartfón samozrejme poháňať nedokázala, ale jedná sa o koncept, nie hotové riešenie. Toľko k princípu.
Prečo si teda myslím, že ani pri najlepšej vôli nie sú podobné zdroje vhodné pre smartfóny a podobnú spotrebnú elektroniku?
Začnem odhadom priemerného výkonu, ktorý je potrebný pre smartfón. Nakoľko je to blog a nie dizertačná práca, odhad bude hrubý, ale ako prvotný nástrel postačujúci:
Mám smartfón, ktorému výrobca udáva parametre:
Kapacita batérie: 5 Ah pri napätí 3,9V to nám dáva celkovú uloženú energiu cca W= 19,5 Wh.
Výdrž to má, no nech 2 dni (každý vie ako to s tou výdržou je... )
To máme priemerný potrebný príkon na úrovni: P=19,5 Wh/48h = 0,4 W. Špičkový príkon smartfónu dosahuje samozrejme ďaleko väčšie hodnoty (jednotky W, pri náročných aplikáciách a najvyššom jase asi aj nižšie desiatky) , ale uvažujme, že by sa k rádioizotopovej batérii pridala aj nejaká chemická, prípadne superkondenzátor, ktorý by vykryl špičky a ktorý by bol nonstop dobíjaní rádioizotopovou batériou. Uvažujem tiež, že sa do budúcnosti radikálna zmena v príkone smartfónov neuskutoční, nakoľko ťažko očakávať, že dôjde k zníženiu potrebného vyžarovaného výkonu elektromagnetického žiarenia, alebo k zníženiu celkového jasu displeja. To sú pomerne limitujúce faktory. Zlepšiť sa samozrejme môže účinnosť elektroniky ako takej, ale opäť to nebudú rádové zmeny.
Prezentovaná batéria v článku, s ktorým som sa na internete stretol, má rozmery 15x15x5 mm a výkon 100 μW. Na permanentné generovanie výkonu aspoň tých 0,4 W potrebujeme týchto batérii 4000. Áno, ak by sa spravila jedna väčšia, dá sa predpokladať, že by mala vyššiu energetickú hustotu. To je dané konštrukciou, tak isto by zaberala menší objem ako 4000 batérii veľkosti 15x15x5mm. Nech má teda do budúcna takáto jadrová batéria energetickú hustotu 10 násobnú, to nám vyjde objem 400x15x15x5 mm3 = 270 000 mm3. V predstaviteľnejších jednotkách to je 270 cm3 alebo cca tak isto mililitrov. Asi ako hrnček na kávu, alebo niečo podobné. A to je len batéria bez potrebného kondenzátora a samozrejme bez samotného smartfónu ...
Už tu sa črtajú určité problémy, ale stále by pravdepodobne boli časom technicky riešiteľné. Bolo by možné použiť rádionuklidy s vyššou aktivitou a celé to ešte skomprimovať na úkor kratšieho polčasu rozpadu alebo vyššieho zastúpenia rádionuklidu. Začalo by sa to ale hriať, nakoľko nie všetka energia beta žiarenia je premenená na elektrickú energiu. Časť sa pohltí materiálom a ten zahreje. To, aká veľká časť, to závisí od stupňa technologického pokroku, ale účinnosť premeny nikdy nemôže byť 100% a zahrievať sa to teda bude.
Čo morálne zastaranie elektroniky ? Nakoľko by batéria vydržala desaťročia, asi by sa používala opakovane. To ale vyžaduje rozmerovú kompatibilitu. Alebo naozaj malé batérie, kde by problémy so zahrievaním ďalej rástli. Alebo zložitú recykláciu.
Uznávam, to všetko sú technické problémy, nie je tam priamy fyzikálny limit, ktorý by konštrukciu podobného zariadenia vyložene zakazoval. Snáď možno to zahrievanie, ale to by chcelo hlbšiu analýzu tepelných pomerov na ktorú nemám priestor.
Ale čo bezpečnosť?
Takáto batéria bude aj pri najlepšej snahe zdrojom beta radiácie. Túto radiáciu je možné odtieniť a skutočne by pobyt v blízkosti podobného zariadenia nepredstavoval riziko. Avšak, voľná dostupnosť týchto zariadení by z nich robila ideálnu surovinou na konštrukciou špinavých bômb alebo skrátka len na rozptyl materiálu na verejnosti. A tu presne vidím zásadný problém.
Opakujem, že v jednom jedinom zariadení by musel byť ekvivalent 4000 ks prezentovaných batérií. Nevraviac o tom, koľko takýchto batérií by skončilo niekde v prírode. Kontaminovať prostredie rádioaktívnymi izotopmi len z dôvodu akejsi pohodlnosti a možnosti nenabíjať smartfón, to je skutočný ekoterorizmus.
Tak čo, skutočne dávajú rádioizotopové batérie v smartfónoch zmysel? Mne nie...
Načo sú teda podobné batérie a načo sa nám môžu hodiť?
Mikrobatérie s výkonmi v rádoch μW nájdu (už aj nachádzajú) uplatnenie v senzorike alebo implantátoch. Mať napríklad kardiostimulátor alebo implantát v mozgu, ktorý počas celého života nie je potrebné servisovať a nabíjať je výhodné. Celkové množstvo rádionuklidov je úplne neporovnateľné s množstvami, ktoré by boli potrebné na konštrukciu spotrebnej elektroniky, ktorá má aj tak morálnu životnosť v jednotkách rokov. Ako som ukázal, sú to kľudne aj 3 rády - tisíc násobok.
V senzorike si to viem predstaviť napríklad v rôznych meračoch fyzikálnych veličín na ťažko dostupných miestach. Tieto zariadenia potrebujú k svojej činnosti takmer zanedbateľné elektrické príkony.
