¿Son Alpha y Beta-Voltaics la solución al problema del almacenamiento de energía en Scifi?

En Scifi, a menudo existe el problema de que toda la tecnología sofisticada, como Mechas y Lasguns, necesita mucha energía. Las fuentes químicas están limitadas por la densidad de potencia volumétrica y regular. Baterías y condensadores aún más. Los dispositivos compactos de fusión, fisión y antimateria producen cantidades problemáticas de calor residual, son increíblemente complejos y peligrosos. Usar tanques con plantas de energía que recargan regularmente sus enjambres de robots o simplemente tienen cables de alimentación constantes es interesante y factible, pero estoy interesado en soluciones alternativas.

Los dispositivos alfa y beta-voltaicos convierten la radiación de partículas directamente en electricidad. Esto debería ayudar mucho con el calor residual y los problemas de los grandes generadores. Esta pregunta de Physics SE aborda la cuestión de por qué diez los usamos actualmente fuera de las operaciones de baja potencia y largo plazo. Esta lista de problemas es de una respuesta.

  1. La potencia producida no es ajustable. La batería produce energía a un ritmo casi constante (decayendo lentamente con el tiempo). No se puede aumentar y si no se consume (o almacena) la potencia se pierde.
  2. Baja densidad de potencia. 63Ni, por ejemplo, produce ~ 5 W / kg (y kg aquí es solo una masa de material radiactivo, la batería real sería al menos un orden de magnitud más pesada). Hay, por supuesto, isótopos con densidades de potencia mucho más altas, pero encuentran otros problemas.
  3. Daños en semiconductores. Si tratamos de aumentar la potencia mediante el uso de isótopos con energías de desintegración más altas, encontramos que los electrones de alta energía dañan los semiconductores, lo que reduce la vida útil de las baterías a tiempos mucho más cortos que la vida media de los isótopos. Las partículas alfa, en especial, dañan las uniones pn, por lo que aunque (por ejemplo) el 238Pu produce 0,55 W/g de radiación alfa, se utiliza principalmente en esquemas termoeléctricos más que en convertidores de energía directos.
  4. Radiación gamma. Muchos isótopos tienen emisión gamma como un modo secundario de descomposición. Dado que este tipo de radiación es difícil de proteger, esto significa que la selección de isótopos utilizables para las baterías se limita solo a los emisores beta puros.
  5. Bremsstrahlung. El frenado de electrones produce este tipo de radiación, que debía ser blindada. Una vez más, esto limita nuestra selección de isótopos a aquellos con energías de desintegración relativamente bajas.
  6. Bajo volumen de producción / Economía. Muchos isótopos cuestan demasiado para ser prácticos en una amplia gama de aplicaciones. Esto se explica en parte por el bajo volumen de producción y en parte por el proceso de producción que será costoso en todos los volúmenes porque requiere una separación de isótopos que consume energía e instalaciones especiales para trabajar con materiales radiactivos. Por ejemplo, el tritio (uno de los materiales para los betavoltaicos) cuesta alrededor de $30 000 por gramo y su producción mundial anual es de 400 g (de wikipedia).
  7. Seguridad/Regulaciones/Percepción: 63 gramos de 63Ni constituyen más de 3500 curios de radiactividad, lo que definitivamente requeriría regulaciones para su manejo y probablemente no se permitiría dentro de una sola unidad para uso civil sin restricciones. Sabemos que, cuando se utilizan correctamente, los betavoltaicos son seguros. Pero, ¿qué pasa con el uso inapropiado/eliminación inapropiada/posibilidad de abuso? En cualquier caso, la percepción actual de la energía nuclear por parte del público en general no es tan buena, por lo que la comercialización de baterías nucleares presentará cierto desafío.

La respuesta menciona que los avances en tecnología podrían ayudar con estos problemas. Entonces, estos son los avances relacionados con esta tecnología en mi entorno.

  1. Elige el isótopo adecuado para la misión. En cuanto a la historia, esta es una increíble fuente de tensión. Además, llevar unidades recargables para obtener aumentos de energía para ciertas aplicaciones más adelante en la misión es una solución. Al comienzo de la misión, el dispositivo está muy por encima de las necesidades energéticas normales.

  2. "Hay, por supuesto, isótopos con densidades de energía mucho más altas, pero encuentran otros problemas". Esto es genial. ¿Cuáles son estos otros problemas? ¿Se pueden tratar? Especialmente los isótopos con vidas medias de horas, días y semanas son interesantes para muchas aplicaciones.

  3. Como estoy más interesado en aplicaciones de corta duración de alta potencia, este no es un gran problema. En caso de que importe, el mantenimiento y los sistemas redundantes son la respuesta.

  4. & 5. La biotecnología avanzada y la nanotecnología hicieron que el daño por radiación fuera mucho menos relevante. Es una molestia, nada más.

  5. La economía de fusión hace que el costo energético de fabricar isótopos apropiados sea mucho más aceptable.

  6. Los críticos de la energía nuclear pueden discutir sus problemas con el rayo de la muerte principal de mi Gundam.

Entonces, ¿hay algún otro problema que impida que Alpha y Beta-Voltaics se usen de todo, desde células de poder de armas hasta sintetizadores y Mechas?

El camión semirremolque típico tiene 500 hp o 373 000 vatios. Su batería requeriría 74,6 toneladas de isótopo y 746 toneladas de batería para producir esto. Un motor diesel pesa menos de 2 toneladas. ¿Quizás solo quieres un diésel en tu mecanismo? Además, probablemente deberías revisar tu presupuesto. Supongo que 74,6 toneladas de batería de radioisótopos serán bastante caras.
@puppetsock ¿De qué isótopo estamos hablando? Isótopo puede significar cualquier cosa, desde plutonio hasta tritio, y existen diferencias significativas en la densidad y la producción de energía.
Creo que solucionó el problema principal con Alpha y Beta-Voltaics. Es posible que tengan una energía específica alta , pero una densidad de energía baja , y no hay una forma práctica de evitarlo.
La respuesta de Stephen es excelente, pero quería abordar su problema n. ° 3 con la mano: cuanto mayor sea la potencia de su aplicación, más rápido se dañarán los semiconductores, porque tendrá energías de descomposición mucho más altas y la masa / volumen adicional que tendría. requerir agregar redundancia suficiente para manejarlo reduciría/eliminaría los beneficios.
@jdunlop si la principal fuente de radiación fueran "simplemente" partículas alfa o beta, el blindaje no es demasiado difícil de organizar.
@TheDyingOfLight ¿Qué quieres decir con "qué isótopos"? Su pregunta dice 5 W/kg de material radiactivo, y la batería es 10 veces mayor.
@StarfishPrime: no, el problema que se trata es el daño a los semiconductores que deben ser golpeados por las partículas beta para generar la energía. Protegerlos de las emisiones beta sería contrario al propósito previsto de la "batería".
@jdunlop ahh, cierto. Pero claramente los betavoltaicos ya existen, y una alta actividad no implica mayores energías de desintegración. Un dispositivo de alta potencia no necesariamente se calentará solo. Algo que produjera partículas beta de energía particularmente alta podría tostar los voltaicos incluso si su actividad fuera baja y, como resultado, el dispositivo tuviera una potencia bastante baja.
@StarfishPrime: de la sección citada en el OP: "Si tratamos de aumentar la potencia mediante el uso de isótopos con energías de descomposición más altas, encontramos que los electrones de alta energía dañan los semiconductores, lo que reduce la vida útil de las baterías a tiempos mucho más cortos que la vida media de los isótopos". Entonces, los isótopos de mayor energía fríen los semiconductores más rápido que los de menor energía, uno de los obstáculos para los betavoltaicos de alta energía que es intrínseco a la tecnología.
@jdunlop luego use materiales de alta actividad y baja energía, como sugerí, o mecanismos de extracción de energía no basados ​​​​en semiconductores, como sugirió el OP.

Respuestas (2)

TLDR: esta es una poderosa fuente de energía plausible, pero probablemente no sea tan revolucionaria como debería ser.

El problema aquí es la distinción (y compensación) entre densidad de potencia y densidad de energía . Para usar el ejemplo de 63 norte i , 63 g de material de origen contienen un mol de núcleos, cada uno de los cuales eventualmente se descompondrá para liberar (en promedio) 17 keV de energía. Esa es una densidad de energía total de

6 × 10 23   ×   17   ×   1.6 × 10 − dieciséis ≈ 1.7 × 10 9   j

1,7 gigajulios es bueno para algo del mismo volumen que una batería de tamaño C. Una batería alcalina C estándar puede contener 8 Ah de carga a 1,5 V, para un contenido de energía total de 43 kJ, por lo que la batería nuclear tiene 10 5 veces más energía que una batería estándar. Un volumen equivalente de gasolina pesa unos 5 gy contiene 232 kJ de energía química; una masa equivalente de gasolina contiene 2,7 MJ, es decir, 620 veces menos que la batería nuclear. El hecho de que el número 620 no sea enorme es preocupante para esta nueva fuente de energía revolucionaria, ya que presenta muchos desafíos de ingeniería, como se describe.

Esta batería en particular entregará esa energía continuamente, con una caída exponencial, de modo que extraiga el 90% de ella durante trescientos cincuenta años o aproximadamente 11 gigasegundos, lo que hace que la densidad de energía vuelva a los niveles descritos (~ 300 mW para la batería de tamaño C de 63 gramos). Eso no sirve de mucho para un mecha o un rayo de la muerte: necesitamos ese poder en un marco de tiempo de horas o días, como dices. Diferentes isótopos tienen vidas medias muy diferentes, pero la energía de desintegración beta es generalmente del mismo orden de magnitud; como es (en términos de orden de magnitud) la densidad del material. Por lo tanto, el contenido de energía total de la batería es muy similar en diferentes clasificaciones de potencia.

Supongamos caritativamente que podemos elegir un isótopo con una vida media de 100 kilosegundos (es decir, un poco más de un día), por lo que 10 5 veces menos que 63 norte i , y que podemos resolver todos los desafíos de ingeniería asociados con el aumento de cien mil veces en la potencia y aun así capturar toda la energía (ahora 30kW) de manera segura y efectiva. La batería resultante proporciona alrededor de 40 caballos de fuerza por día, que es suficiente para alimentar el Mercedes Simplex (fecha de producción 1902-1909), y dieciocho de ellos alimentarían un modelo S de Tesla. Esto es asombroso desde cualquier punto de vista objetivo... pero es es realmente revolucionario?

La clásica "gran cosa mecánica" que generalmente se saca como lo más parecido que tenemos a un mecha es Bagger 293 , la excavadora de carbón de 14,2 kilotones que se alimenta externamente con un suministro de 16,3 megavatios. Para alimentar este mecanismo relativamente simple con nuestras baterías nucleares, necesitamos un banco de poco más de 500 de ellas, con un peso de 34 kg. De manera realista, estos deben considerarse como gránulos de combustible que se consumen y extraen para volver a purificarse todos los días. 33 kg de combustible horriblemente radiactivo por día no es una solicitud irrazonable para un mecha, es una esfera de unos 20 cm de diámetro, aunque hemos descartado potencialmente varios órdenes de magnitud de eficiencia al observar los máximos teóricos. Pero principalmente estamos pasando por alto el hecho de que ya podemosobtenga esa cantidad de energía de 32 toneladas de diesel, que tampoco es una gran demanda para una máquina de ese tamaño, y probablemente sea mucho más fácil de transportar, manejar y diseñar.

No puede aumentar la producción de energía de estas baterías en 10 ^ 5 independientemente del isótopo que use. Se derretirán mucho antes de que les saques tanta energía. Y los métodos de generación eléctrica se saturarán mucho antes.
No podrías aumentarlo a este nivel y mantenerlo en la forma de una batería de tamaño C , no. Pero al dividirlo en gránulos más pequeños e incrustarlos en un disipador de calor, podría controlar el calor (y probablemente incluso capturarlo para la extracción de energía adicional). Nadie está sugiriendo que esta fuente de poder sea fácil de usar :-p

Estoy más interesado en aplicaciones de corta duración de alta potencia

Sus "baterías" comienzan a descargarse tan pronto como se ensamblan, por lo que no tienen vida útil para hablar y no son recargables. Para fabricarlos, necesita algo como un acelerador de partículas o un reactor nuclear especializado. Su curva de descarga es una función de decaimiento exponencial, por lo que el bit de mayor potencia es también el bit de menor duración y está disponible justo en el punto en el que el isótopo deseado se decanta desde cualquier mecanismo que lo haya producido en primer lugar. También significa que necesita algún otro mecanismo de almacenamiento para suavizarlo para la mayoría de los propósitos.

Los dispositivos compactos de fusión, fisión y antimateria producen cantidades problemáticas de calor residual, son increíblemente complejos y peligrosos.

Los desechos radiactivos envueltos en mecanismos de extracción de energía siguen siendo desechos radiactivos. Las fuentes de radiación de alta potencia también estarán calientes. Puede que no sean complejos, pero son el producto de una cadena de fabricación y logística necesariamente corta que termina en un equipo grande, costoso, inconveniente, increíblemente complejo y peligroso.

También ha hecho de cada batería su propia pequeña "bomba sucia" esperando una cantidad adecuada de fuerza para esparcirla, a menos que la haya empaquetado muy bien , lo que la hará más voluminosa, pesada y costosa, ninguna de las cuales es realmente deseable

Aparte, el envío seguro de desechos radiactivos es problemático en sí mismo, pero también dificulta la detección de fuentes de radiación sospechosas en tránsito. En general, cualquier fuente de radiación lo suficientemente fuerte como para ser interesante también llamará la atención, como mínimo. Si tienes un montón de cosas flotando, se vuelve un poco más fácil pasar de contrabando materiales peligrosos (por ejemplo, fisionables) sin que la gente se dé cuenta.

¿Son Alpha y Beta-Voltaics la solución al problema del almacenamiento de energía en Scifi?
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