Diamantbatterijen ... vervaardigd uit kernafval
Kernafval inkapselen in diamanten om zo batterijen te vervaardigen die levenslang elektriciteit kunnen produceren: dat is het boeiende onderzoeksdomein van een team aan de Universiteit van Bristol (Verenigd Koninkrijk). Dergelijke batterijen zouden ons kunnen voorzien van duurzame elektriciteit, terwijl ze ook een oplossing bieden voor het kernafvalprobleem.
Laten we, voor we ons toespitsen op het onderzoek aan de universiteit van Bristol, eerst even kennismaken met het onderwerp en met de voordelen van nucleaire batterijen.
De eerste ontwikkelingen en het huidige gebruik
Het concept van nucleaire batterijen is niet nieuw: ze worden al jarenlang ingezet voor verre ruimtevaartmissies. In de jaren 70 werd ook al een kleinere variant gebruikt in pacemakers die in het lichaam werden ingeplant.
In de Verenigde Staten zijn nucleaire microbatterijen vandaag gewoon verkrijgbaar in de winkel. Dankzij de radioactieve straling van tritium gaan deze batterijen 20 keer langer mee dan klassieke batterijen.
Zoals we verderop zullen zien, is de technologie intussen al sterk geëvolueerd en biedt ze tal van toepassingsmogelijkheden.
Wat is het nut van nucleaire batterijen?
De eerste troef is hun astronomische levensduur: we spreken over een grootteorde van duizenden jaren!
Nucleaire batterijen zijn bijzonder interessant voor moeilijk bereikbare plaatsen. We denken dan aan meetinstrumenten voor diepzeeonderzoek, aan de ruimtevaart en aan medische implantaten. Bovendien vormen hun kleine afmetingen ook een groot voordeel op microscopische plaatsen, zoals het geval is in miniprocessoren en MEMS (Micro Electronic Mechanical Systems).
Een smartphone die levenslang opgeladen is, dat zou toch geweldig zijn? Deze revolutionaire technologie is inzetbaar in zodanig veel toepassingen dat we ze ons niet eens allemaal kunnen voorstellen ...
Veel robuuster dan klassieke batterijen
Een enorm voordeel van nucleaire batterijen is hun robuustheid. In tegenstelling tot klassieke batterijen zijn nucleaire batterijen niet gevoelig voor extreme omstandigheden, zoals hoge temperaturen (tot 700°C), een hoge vochtigheidsgraad en corrosieve milieus. Wanneer ze correct worden ingekapseld, blijven de radioactieve elementen efficiënt op een 100% veilige manier.
Dankzij de nucleaire batterij verandert de behandeling van kernafval in een energiebron op lange termijn.
Professor Tom Scott, Universiteit van Bristol, Verenigd Koninkrijk.
Toponderzoek aan de Universiteit van Bristol: diamantbatterijen om kernafval te recycleren
Het basisidee? Gebruik kernafval om een zwakke elektrische stroom op te wekken die de diamant vervolgens kan geleiden.
Het grote voordeel hiervan is dat een nucleaire batterij schone elektriciteit zou kunnen opwekken gedurende duizenden jaren! Bovendien is er geen enkel gevaar aan verbonden, aangezien de radioactiviteit ingekapseld zit in de diamant, het hardste materiaal dat bestaat.
Het onderzoek dat Professor Tom Scott en zijn team van 12 onderzoekers voeren aan de Universiteit van Bristol spitst zich toe op kleinere, efficiëntere, veiligere en zuinigere batterijen.
Aangezien de kracht van de nucleaire batterij schuilt in haar energiedichtheid, moet ze per definitie erg klein zijn (we spreken in termen van millimeters).
Bij professor Tom Scott zit de nucleaire innovatie hem in de genen ... "Ik ben opgegroeid in de buurt van de site van Winfrith in Dorset, in het zuiden van het Verenigd Koninkrijk. Daar werd de basis gelegd voor de rijke Britse nucleaire knowhow. Tijdens mijn middelbare studies al volgde ik bijkomende lessen om dit vakgebied beter te begrijpen. Het is dan ook logisch dat ik tegenwoordig meewerk aan de nucleaire innovatie", vertelt hij.
Hoe werkt een diamantbatterij?
De energie van een diamantbatterij is afkomstig van kernafval van koolstof-14 (zie kader). Door dat materiaal in te kapselen in een synthetische diamant, wekt men een cascade van elektronen op die elektriciteit genereren. De radioactieve stralen worden geabsorbeerd door de diamant, waardoor de batterij gegarandeerd veilig is.
Koolstof-14: een interessante energiebron
Binnen de groep van radioactieve substanties is koolstof-14 (C-14) een goede kandidaat voor de productie van batterijen. C-14 geeft alleen maar bètastralen af. Die wekken veel energie op en kunnen makkelijk geabsorbeerd worden door de diamant. Andere radioactieve elementen geven naast bètastralen vaak ook gammastralen af. Die laatste vragen een sterkere beschermlaag, waardoor de batterij groter wordt en dus minder efficiënt.
7746 jaar stroom per diamant
Voor deze technologie gebruikt men synthetische diamanten. In tegenstelling tot de diamanten die gebruikt worden in juwelen (één enkel kristal), worden synthetische diamanten gemaakt met meerdere kristallagen.
Een diamantbatterij levert 15 joule energie per gram, wat overeenkomt met ongeveer een 50ste van de energie die een standaardbatterij levert. Maar ... de diamantbatterij werkt gedurende 7746 jaar op volle kracht. Pas daarna valt de geproduceerde stroom terug op de helft! Dankzij haar minuscule dimensies (10 mm x 10 mm x 0,5 mm) zijn er bovendien heel wat toepassingsmogelijkheden.
Als we mensen uitleggen dat kernafval nuttig kan zijn, zullen ze hun mening bijstellen.
Professor Tom Scott, Universiteit van Bristol.
Recyclage van koolstof-14 en dus minder kernafval
Dat er in het Verenigd Koninkrijk grote hoeveelheden koolstof-14 beschikbaar zijn, maakt het concept alleen maar interessanter. Koolstof-14 vormt zich in grafietstaven (koolstof), een materiaal dat werkt als neutronenvertrager in de Engelse gasgekoelde reactoren.
De onderzoekers van de Universiteit van Bristol hebben recent een methode ontdekt om het grafiet te verwarmen, zodat het radioactieve grafiet zich verzamelt op de buitenlaag van de staven. Wanneer het radioactieve grafiet vervolgens omgezet is in gas, kan men de stof verzamelen en ze inbrengen in de diamant. Zo kan men de hoeveelheid kernafval aanzienlijk verminderen.
"De nucleaire sector moet permanent innoveren en concurrentieel blijven. We moeten nucleaire technologie inzetten voor meer dan alleen maar elektriciteitsproductie. Op dit moment heeft kernafval weinig waarde en dat moet veranderen. Als we mensen uitleggen dat kernafval nuttig kan zijn, zullen ze hun mening bijstellen. Het gebruik van nucleaire batterijen in pacemakers verbetert de levenskwaliteit van patiënten. Dat is de boodschap die we moeten verspreiden", legt professor Tom Scott uit.
Hoever staat het onderzoek?
Er zijn al twee prototypes van diamantbatterijen ontwikkeld. Momenteel werken de onderzoekers aan complexere en efficiëntere versies. Concreet onderzoekt men momenteel de mogelijkheid om meer stroom op te wekken door meerdere batterijen naast elkaar te plaatsen, iets wat bij klassieke batterijen al gebeurt. De producenten van smartphones, bijvoorbeeld, zijn bijzonder geïnteresseerd in het gebruik van nucleaire batterijen.
Is de diamantbatterij rendabel?
De extractie van het gas uit het kernafval vormt de grootste kost in de ontwikkeling van nucleaire batterijen. Maar aangezien het gebruikte koolstof-14 afkomstig is van kernafval, is het project sowieso financieel interessant: doordat men minder kosten maakt voor de opslag van kernafval is de diamantbatterij zeker een rendabele oplossing.
Meer info op:
