12:31 17 November 2018
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    Russische autonome Batterie

    Russische Forscher entwickeln Batterie mit 100 Jahren Lebensdauer

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    Wissenschaftler der Moskauer Universität für Nuklearforschung MEPhI arbeiten an der Entwicklung einer Radioisotopen-Stromquelle auf Basis von Betavoltaik-Generatoren mit Einsatz von Nanocluster-Schichten des Radioisotops Nickel-63. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Zeitschrift Applied Physics Letters veröffentlicht.

    Dies wird dazu beitragen, sichere Atombatterien mit einer Lebensdauer von 100 Jahren für Schrittmacher, winzige Zucker- oder Blutdrucksensoren, Telemetriesysteme für entfernte Objekte, Mikro-Roboter sowie Geräte mit Autonom-Betrieb ins Leben zu rufen, berichtete die Pressestelle der Universität.

    Problem der Miniaturisierung

    Untersuchungen der Eigenschaften von Nanoobjekten rufen wegen des Trends zur Miniaturisierung von technischen Geräten das gestiegene Interesse der Fachwelt hervor, vor allem auf dem Gebiet der Nanoelektronik. Jüngste Fortschritte im Bereich der mikro- und nanoelektromechanischen Systeme, die in einem einzigen Gerät Nanoelektronik und mechanische Elemente wie Triebwerke, Pumpen oder Motoren kombinieren, können für die Erzeugung von mikroskopischen physikalischen, biologischen oder chemischen Sensoren vielversprechend sein.

    Eine breite Anwendung dieser Geräte ist jedoch noch nicht möglich, da bisher Mikro-Energiequellen für mikroelektromechanische und nanoelektromechanische Systeme fehlen.

    Derzeit erforschen Wissenschaftler aktiv die Möglichkeit der Miniaturisierung herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien, Solarzellen, Brennstoffzellen und verschiedener Arten von Kondensatoren. Solche Stromquellen sind jedoch immer noch zu groß, um Mikro- und Nanosysteme zu schaffen.

    Eine weitere Herangehensweise an das Problem der Stromversorgung für moderne und vielversprechende mikroelektromechanische und nanoelektromechanische Systeme ist mit der Verwendung von Radioisotopenbatterien verbunden.

    Radioisotop-Generatoren, auch Radionuklid-Batterien oder Atombatterien sind Stromquellen, in der die Energie des radioaktiven Zerfalls der metastabilen Elemente – Atomkerne – in Strom umgewandelt wird. Sie zeichnen sich durch eine große Energiedichte pro Massen- und Volumeneinheit aus. Der Zeitraum der stabilen Energiefreisetzung variiert stark innerhalb der Auswahl des Nuklids. Radioisotop-Batterien können lange und stabil funktionieren, sie werden nicht gewartet und sind geräuschlos.

    Einzigartige Eigenschaften von Nickel-63

    Einer der kürzesten Wege, die Energie des nuklearen Zerfalls in elektrische Energie umzuwandeln, ist heutzutage eine thermoelektrische Umwandlung. Wissenschaftler erforschen jedoch auch aktiv Betavoltaik-Stromquellen, die für den praktischen Gebrauch von großem Interesse sind. Tatsache ist, dass, wenn eine Mikro-Stromquelle ein Radioisotop verwendet, das eine weiche β-Strahlung aussendet, es einfach ist, ein System für den physischen Schutz des Benutzers und die umgebenen Objekte vor der Strahlung zu erzeugen. Daher werden solche Quellen als vielversprechend für die zivile Nutzung angesehen.

    Die MEPhI-Forscher haben die elektrischen Eigenschaften der Nanocluster-Schicht von Nickel untersucht und optimale experimentelle Parameter für das Experiment zur Schaffung eines effektiven Energiewandlers des Beta-Zerfalls von Nickel-63 in Elektrizität gewählt.

    Das Radioisotop Nickel-63 ist eines der vielversprechendsten Radionuklide in der Betavoltaik. Dieser weiche Beta-Ausstrahler mit einer langen Halbwertzeit beträgt 100,1 Jahre. Daher ist Nickel-63 ein einzigartiges Element, das für nachhaltige Energiesysteme geeignet ist, die keine hohen Energiekosten erfordern.

    Was das Material betrifft, ist Nickel auch ein ziemlich gutes Metall – plastisch, relativ inert, leicht zu verarbeiten; bei der Arbeit mit diesem Metall ist kein Container für Transport und Lagerung erforderlich.

    Den Forschern zufolge sind die Erhöhung der Effizienz von existierenden Energiewandlern des Beta-Zerfalls von Nickel-63 in Strom sowie die Suche nach alternativen physikalischen Systemen sehr aussichtsreiche Aufgaben der modernen Wissenschaft.

    MEPhi-Forscher gehen neue Wege

    Die Forscher entwickelten ein einzigartiges physikalisches System, das effektiv Sekundärelektronen innerhalb der nanostrukturierten Nickelschichten generiert und das Stromsignal durch eine Kaskade von mehreren unelastischen Kollisionen von β-Teilchen deutlich erhöht, so der MEPhi-Professor für physikalisch-technische Probleme der Meteorologie vom Institut für Laser- und Plasmatechnologien, Pjotr Borisjuk.

    „Dieses System ist relativ einfach in Bezug auf die experimentelle Realisierung und stellt ein Ensemble von engverpackten Nickel-Nanoclustern mit einer Gradientenverteilung von Nanopartikeln nach deren Größe dar, die auf der Oberfläche des Breitband-Dielektrikums Siliziumoxid abgeschieden sind“, sagte der russische Forscher.

    Die Gelehrten kamen zu dem Schluss, dass die Bildung von Nanocluster-Schichten von Nickel-63 mit einer Gradientenverteilung von Nanopartikeln nach deren Größe eine einzigartige Gelegenheit bietet, zwei wichtige Prozesse zu kombinieren. Erstens ist es möglich, Beschichtungen mit einer festen Potentialdifferenz zu bilden, die durch den Unterschied der Nanopartikelgrößen in der ausgewählten Richtung bestimmt wird. Zweitens ist es möglich, die Beta-Zerfallsenergie von Nickel-63 in einen Elektronenstrom umzuwandeln, ohne zusätzliche schwierig zu realisierende Halbleitersysteme zu verwenden.

    Die von den Wissenschaftlern erhaltenen Ergebnisse bestätigen, dass die sich bildenden Gradienten-Nanocluster-Schichten von Nickel einzigartige Eigenschaften aufweisen. Das Anwendungsgebiet von Radioisotopenquellen mit thermoelektrischer Umwandlung ist praktisch unbegrenzt. Es erstreckt sich von Atombatterien ultrakleiner Größen für die Stromversorgung von mikro- und nanoelektromechanischen Systemen über Schrittmacher, winzige Zucker- oder Blutdrucksensoren, Telemetriesysteme für entfernte Objekte, Mikro-Roboter verschiedener Zweckbestimmung bis hin zu Geräten mit Autonom-Betrieb im fernen Weltraum sowie in großen Tiefen und in den Regionen des Hohen Nordens.

    Die Studie wurde im Rahmen eines Stipendiums der Russischen Wissenschaftsstiftung durchgeführt.

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    Tags:
    Forscher, Akku, Batterie, Russland