人造金刚石技术专利
“龙蛋”机器人可以用前所未有的详细数据帮助科学家研究这一剧烈的自然过程，但对于布里斯托大学的材料科学家汤姆·斯科特来说，火山探索只是一个开始。在过去的几年里，斯科特教授和一小群合作者一直在开发升级版的“龙蛋”核电池，这种电池可以持续数千年，无需充电或更换。与大多数现代电子产品中通过化学反应发电的电池不同，布里斯托尔大学研究的电池收集放射性钻石喷射出的粒子，这些粒子可以由经过改造的核废料制成。
本月早些时候，斯科特和他的合作者尼尔·福克斯(来自布里斯托尔大学的化学家)成立了一家名为“Arkenlight”的公司，旨在将他们的核钻石电池商业化。虽然这种指甲大小的电池还处于原型阶段，但与现有的核电池相比，它已经显示出效率和功率密度的提高。一旦斯科特教授和他的Arkenlight团队完善了他们的设计，他们将建立一个大规模生产的测试设施。该公司计划在2024年前将第一批商用核电池投放市场——但我们不指望在笔记本电脑中找到它们。
传统的化学电池或“一次电池”，如智能手机中的锂离子电池或遥控器中的碱性电池，可以在短时间内释放大量的电量。锂离子电池不充电只能工作几个小时，使用几年后充电能力会急剧下降。相比之下，核电池或β电池(β伏打电池，一种将放射性β辐射转化为电流的电池)是一种可以长时间持续产生少量电力的电池。它们产生的电力不足以驱动智能手机，但根据它们使用的核材料，它们可以为小型设备提供数千年的稳定电力输出。
“那么，我们可以用核电池为电动汽车提供动力吗？答案是——不”，Arkenlight首席执行官摩根·博德曼(Morgan Boardman)表示，要为这种耗能的东西供电，就意味着“电池的‘质量’将需要明显大于车辆的‘质量’”。相反，该公司正在寻找几乎不可能或不可能定期更换电池的应用(也可以说是一次性的长期应用产品方向)，如核废料储存库和卫星上偏远或危险地方的传感器。Boardman还看到了更贴近我们生活的应用，例如将该公司的核电池用于起搏器或可穿戴设备。他设想了一个未来，人们将保留电池并更换设备，而不是像现在这样:在同一设备上频繁更换电池。“你会在更换电池之前更换几个火警报警器，因为电池的寿命已经远远超过这些设备了。”博德曼是这么说的。
不出意外，大多数人肯定会抵制核电池，因为他们认为它会产生放射性物质，对身体有害。但从Betavoltaic电池的健康风险报告来看，可以与“出口标志”的健康风险相提并论，它使用了一种叫做“氚”的放射性物质来实现其标志性的红色荧光。与伽马射线或其他更危险的辐射类型不同，β粒子只能通过几毫米厚的防护层才能停止运行。太平洋西北国家实验室的材料科学家兰斯·哈伯德(Lance Hubbard)说:“通常情况下，电池壁足以防止任何泄漏。这使得核电池几乎不含放射性物质，对人来说非常安全。”此外，他补充说，当核电池耗尽能量时，它会衰变到稳定状态，这意味着内部没有剩余的核废料。
第一代贝塔伏打电池出现在20世纪70年代，但直到最近，没有人使用它们。它们最初用于心脏起搏器。在这种情况下，有缺陷的电源包可能意味着生死之差，直到它们最终被更便宜的锂离子替代品取代。如今，小功率电子产品的普及，标志着核电池进入了一个新时代。“对于非常低功率的设备来说，这是一个很好的电源选择——我们谈论的是微瓦，甚至皮瓦。”哈伯德认为:“物联网促进了这些能源的复兴。”
典型的贝塔伏打电池由夹在半导体之间的薄箔状放射性材料层组成。它的发电原理是当核物质自然衰变时，会放出被称为β粒子的高能电子或正电子，这些电子会将半导体材料中的电子散射，从而产生电流。从这个意义上说，核电池类似于太阳能电池板，只不过它的半导体吸收的是β粒子而不是光子。
像太阳能电池板一样，核能电池也有严格的能量限制。它们的功率密度将随着辐射源远离半导体而降低。因此，如果电池层的厚度超过几微米，电池的功率就会急剧下降。此外，β粒子是随机向各个方向发射的，这意味着只有一小部分粒子会真正撞击半导体，只有一小部分会转化为电能。至于核辐射电池能转化成多少电能，哈伯德说，“目前7%左右的效率是最先进的。”
这是Arkenlight的“Betalight”伏安电池，它集成了一个传感器包。与碳-14电池不同，“Betalight”是一种传统的“三明治”核电池，由氚制成。
这与核电池的理论最大效率(约37%)相差甚远。然而，这就是一种称为“碳-14”的放射性同位素可以有所帮助的地方。“碳-14”在放射性碳年代测定中起着最知名的作用，它使考古学家能够估计古代文物的年龄，它还可以为核电池提供电力，因为它既可以用作放射源，也可以用作半导体。它的半衰期也是5700年，这意味着碳-14核电池原则上可以为电子设备提供比人类书面语言更长的时间。
斯科特和他的同事通过在一个特殊的反应器中向氢等离子体中注入甲烷，培育出了人造“碳-14”钻石。当气体电离时，甲烷分解，碳-14聚集在反应器中的基底上，并开始在金刚石晶格中生长。然而，斯科特和他的同事们在传统的“三明治”电池配置中使用了这种放射性钻石，在这种配置中，放射源和半导体是离散的层。而且，他们申请了一项专利，将碳-14直接注入实验室设备来培育钻石。用这种方法制成的钻石与我们日常戒指上的钻石相似。结果就是一颗无缝结构的水晶钻石，将β粒子的移动距离降到最低，将核电池的效率提升到最高。
“到目前为止，放射源已经与接收放射源并将其转化为电能的二极管分离。”博德曼说:“这是一个突破。”
当宇宙射线撞击大气中的氮原子时，“碳-14”自然形成，但它也作为一种副产品产生在含有核反应堆控制棒的石墨块中。这些团块最终将成为核废料。根据Boardman的说法，仅在英国就有将近6.5438亿吨的辐照石墨。英国原子能机构最近从35吨受辐射的石墨块中回收了氚，另一种用于核电池的放射性同位素。Arkenlight的团队正在与该机构合作开发一种类似的工艺，从石墨块中回收碳-14。
如果Arkenlight成功，它将为制造核电池提供几乎取之不尽的原材料。根据英国AEA的数据，不到100磅(约45.36千克)的碳-14足以制造数百万个核电池。此外，通过去除石墨块中的放射性碳-14，它将从高放射性核废料降级为低放射性核废料，从而使其更容易处理，更安全地长期储存。
目前，Arkenlight还没有用改造后的核废料制造出beta电池。博德曼表示，该公司的核钻石电池需要在实验室中进行数年的改进，才能投入使用。但是这项技术已经引起了太空和核工业的兴趣。Boardman接着说，Arkenlight最近从欧洲航天局获得了一份合同，为他所谓的“卫星RFID标签”开发钻石电池，这种电池可以发出微弱的无线电信号，并连续识别卫星数千年。然而，他们的目光并没有停留在核电池上。Arkenlight还在开发一种伽马射线电池，这种电池可以吸收核废料仓库发出的伽马射线，并用它们来发电。
Arkenlight的伽马伏特电池原型将把核废料储存库中的伽马射线转化为电能。
Arkenlight并不是唯一一家研究核电池的公司。几十年来，城市实验室和Widetronix等美国公司一直在开发测试电池。这些公司专注于更传统的分层核电池，他们使用氚作为核动力源，而不是碳-14钻石。
康乃尔大学电气工程师、Widetronix联合创始人迈克尔·斯潘塞表示，在选择放射性材料时必须考虑它们的应用。例如，碳-14释放的β粒子比氚少，但其半衰期却长500倍。如果你需要的东西能持续到永远，这确实是它的优势，但这也意味着碳-14核电池要提供同等电量，必须比氚电池大很多。"同位素的选择会带来许多权衡."斯潘塞说。
如果说核电池曾经是边缘技术，现在似乎已经准备进入主流能源了。我们不一定需要——或者希望——我们所有的电子产品都可以使用几千年。但是当我们这样做的时候，我们就有了一个一直工作的电池……也许我们的下一代，下一代，下一代还能工作。
作者:GolevkaTech