Hat évvel ezelőtt Oroszországban kifejlesztettek egy atomelemet, ami töltés nélkül akár 20 évig is bírta. 2026-ban Kína egy lépéssel továbbment, és megalkotott egy olyan nukleáris akkumulátort, aminek az élettartama az 1000 évet is meghaladja. Ezt az új energiaforrást a kínaiak nemcsak a holdkutatási űrprogramjaikban akarják bevetni, hanem az iparban és az orvostudományban is nagy hasznát veszik majd.
Látva az orosz NUST MISIS egyetem tudósainak 2020-as sikerét – akik az űriparnak készítettek atomelemet –, a kínaiak valószínűleg inspirációt merítettek, és kifejlesztették az atomakkumulátorok egy teljesen új generációját. Ezek az orosz verzióval ellentétben nem 20, hanem több mint ezer évig működnek töltés nélkül. Kína ezeket az új áramforrásokat nemcsak az űriparban, hanem számos más területen is hasznosítani tervezi.
Nézzük is meg, hogyan működik ez a csodaaksi, és miért teljesen veszélytelen.
Mi az a nukleáris akkumulátor és miért van rá szükség?
A hagyományos elemek és a lítium-ion akkumulátorok viszonylag gyorsan lemerülnek, mivel bennük kémiai reakciók révén termelődik az energia. A nukleáris – más néven atom- – akkumulátor azonban teljesen máshogy működik.
A belsejében egy radioaktív izotóp – egy kémiai elem instabil változata – található. Ennek az anyagnak az atomjai idővel maguktól lebomlanak, más elemekké alakulnak, miközben hőt vagy részecskéket bocsátanak ki. Ezt a folyamatot hívjuk radioaktív bomlásnak. Az atomelem szempontjából a legfontosabb tényező a felezési idő: az az időtartam, ami alatt a radioaktív atomok pontosan fele lebomlik. Ez az idő a különböző anyagoknál a másodperc töredékétől egészen a milliárd évekig is terjedhet. Ha egy hosszú felezési idejű elemet használnak az akkumulátorban, az lehetővé teszi, hogy a telep évtizedekig, vagy akár évszázadokig is energiát termeljen.
Régebben az ilyen áramforrásokat főleg az űrben használták, ahol ugye esélytelen kicserélni a lemerült elemet. Ilyenek voltak például az 1977-ben fellőtt amerikai Voyager szondákon is – amik a mai napig küldik a jeleket a Földre –, de a kínai Chang’e-3 és Chang’e-4 holdjárókon is ezt a technológiát alkalmazták. Földi feladatokra azonban ezek a szerkezetek túl nagyok, túl drágák voltak, és gyakran még extrém magas hőmérsékletet is igényeltek a működésükhöz.
Mit találtak ki a kínaiak?
A kínai tudósok egyértelmű célt tűztek ki maguk elé: a nukleáris akkumulátort kompakttá, erőssé és kizárólag helyi anyagokból előállíthatóvá tenni, hogy ipari méretekben is gyárthassák anélkül, hogy külső beszállítóktól függnének.
Így született meg 2024-ben a kínai atomelem első verziója, a „Zhulong-1” (Gyertyasárkány). Ezt aztán továbbfejlesztették, és 2026-ban bemutatták a tökéletesített modellt, amely a „Qianjiyuan Tianshu” nevet kapta.
Hogy az akkumulátor tényleg hibátlan legyen, a kínai mérnökök pontosan öt fontos újítást hajtottak végre rajta. Először is, az akkumulátor egy új félvezetőt kapott. A kínai aksi elviekben pont úgy működik, mint az orosz: az átalakítója befogja a radioaktív anyag bomlása során kirepülő béta-részecskéket (elektronokat). Csakhogy a kínai mérnökök egy új típusú, szilícium-karbidból készült átalakítót használtak. A szilícium-karbid egy kifejezetten erős és hatékony félvezető anyag. Amikor befogja a béta-részecskéket, azok energiáját közvetlenül elektromossággá alakítja.
Másodszor, az új akkumulátorban 22%-kal kevesebb radioaktív anyagot használnak, mint a korábbi verzióban. Ettől a kütyü nemcsak olcsóbb, de jóval biztonságosabb is lett.
Harmadszor, a spórolás ellenére az akkumulátor kimeneti teljesítménye a 2,6-szeresére nőtt. Az új aksi tehát sokkal hatékonyabban termeli az áramot.
Negyedszer, az egésznek az architektúráját megváltoztatták, így sokkal kompaktabbá tették. A tudósok elmondása szerint a bemutatott áramforrás 3D-s, többszintes szerkezettel rendelkezik. Így amellett, hogy a térfogata 17%-kal csökkent, a teljesítménysűrűség (az egységnyi térfogatból kinyerhető energia mennyisége) nagyjából a tizenötszörösére ugrott.
És végül ötödször: az akkumulátorba beépítettek egy szenzorokkal kiegészített mikroenergia-kezelő rendszert. Ennek a módosításnak köszönhetően az áramforrás „okosabb” lett, és teljesen önállóan is képes működni.
Technikai jellemzők
Az újdonság néhány műszaki paraméteréről már fentebb szót ejtettünk, de érdemes pár szót ejteni a méreteiről és a „töltelékről” is – vagyis arról a tényleges üzemanyagról, ami az áramot termeli.
A jól ismert South China Morning Post (SCMP) publikációja szerint az elem mérete alig nagyobb, mint egy köbhüvelyk. Hogy ezt a mi megszokott metrikus rendszerünkre fordítsuk: nagyjából 17 köbcentiméterről van szó, azaz 2,5 cm x 2,5 cm x 2,7 cm.
Az akkumulátor feszültsége 2 volt, a teljesítménye pedig 1,13 mikrowatt. Egyfelől ez persze nagyon kevés. Másfelől viszont pont elegendő bizonyos típusú érzékelők vagy orvosi implantátumok működtetéséhez.
Az elem „üzemanyaga” a szén-14 izotóp, aminek a felezési ideje 5730 év. Pontosan emiatt állítják a kínai fejlesztők, hogy egy ilyen akkumulátor elméletileg évezredekig is simán működni fog.
És mi a helyzet Oroszországban?
Ahogy a cikk elején már említettük, 6 évvel ezelőtt az oroszoknál már összeraktak egy hasonló akkumulátort. Jelenleg az orosz mérnökök – a kínaiakhoz hasonlóan – szintén folyamatosan finomítják a találmányukat, bár ők kicsit más anyagokkal dolgoznak.
Ezeknek a fejlesztéseknek a legfontosabb központja a NUST MISIS egyetem és a hozzá kötődő „Roszatom” vállalatok. A kínaiakkal ellentétben az orosz tudósok egy másik radioaktív izotópra, a nikkel-63-ra tették le a voksukat.
A működési elv ugyanaz: a nikkel-63 bomlásából származó béta-részecskéket egy félvezető fogja fel. Oroszországban is nagy hatékonyságú átalakítókat fejlesztenek, és számukra az egyik legígéretesebb anyag ehhez a gyémánt.
A fejlesztések közötti különbség pont az aksi „üzemanyagának” kiválasztásában rejlik. A nyílt források szerint a nikkel-63 felezési ideje körülbelül 100 év. Ez azért jóval kevesebb, mint a szén-14-é.
Akkor miért pont ezt választották az orosz tudósok?
Úgy tűnik, a nikkel-63 béta-sugárzása sokkal megfelelőbb energiával rendelkezik ahhoz, hogy azt hatékonyan elektromossággá lehessen alakítani. Egy ilyen akkumulátor elvileg garantáltan működni fog több tíz évig is anélkül, hogy észrevehetően csökkenne a teljesítménye.
Mind az orosz, mind a kínai tudósok fejlesztései nemcsak az űripart, hanem az orvostudományt is célozzák. Ezeket a szuper áramforrásokat érdemes lenne például a pacemakerekben használni, és akkor soha többé nem kellene őket műtéti úton cserélgetni a betegekben. Egy másik fontos felhasználási terület lehetnek az északi-sarki projektek, ahol olyan érzékelőkre és jelzőfényekre van szükség, amik a legzordabb körülmények között is karbantartás nélkül képesek működni.
A legfontosabb azonban ezekben az elemekben a biztonságos használatuk. Az a helyzet, hogy a gyenge béta-sugárzás még az emberi bőrön sem képes áthatolni, maga a forrás pedig egy masszív burkolatba van beleforrasztva, amely teljesen elnyeli és elektromossággá alakítja azt.
Ami az atomakkumulátorokat illeti, Kína és Oroszország egy irányba halad: a kompakt, biztonságos és mondhatni „örök” energiaforrások megalkotása felé. A különbség csak az izotópok és az átalakító anyagok kiválasztásában van.
