Являются ли Alpha и Beta-Voltaics решением проблемы хранения энергии в Scifi?

В Scifi часто возникает проблема, что все причудливые технологии, такие как меха и лазганы, требуют много энергии. Химические источники ограничены объемной и регулярной удельной мощностью. Аккумуляторы и конденсаторы тем более. Компактные устройства синтеза, деления и антивещества производят проблематичное количество отработанного тепла, безумно сложны и опасны. Использование танков с электростанциями, которые регулярно подзаряжают свои рои роботов или просто имеют к ним постоянные шнуры питания, интересно и осуществимо, но меня интересуют альтернативные решения.

Устройства Alpha и Beta-Voltaic превращают излучение частиц непосредственно в электричество. Это должно сильно помочь с лишним теплом и проблемами огромных генераторов. Этот вопрос от Physics SE касается вопроса, почему мы десять используем их в настоящее время за пределами малой мощности и долгосрочных операций. Этот список вопросов взят из ответа.

  1. Производимая мощность не регулируется. Батарея вырабатывает мощность с почти постоянной скоростью (медленно затухающей со временем). Она не может быть увеличена, и если она не потребляется (или не накапливается), энергия теряется.
  2. Низкая удельная мощность. Например, 63Ni производит ~ 5 Вт / кг (здесь кг - это просто масса радиоактивного материала, реальная батарея была бы как минимум на порядок тяжелее). Есть, конечно, изотопы с гораздо большей плотностью мощности, но они сталкиваются с другими проблемами.
  3. Полупроводниковое повреждение. Если мы попытаемся увеличить мощность за счет использования изотопов с более высокой энергией распада, мы обнаружим, что электроны высокой энергии повреждают полупроводники, сокращая срок службы батарей во много раз меньше, чем период полураспада изотопа. Альфа-частицы, в частности, повреждают p-n-переходы, поэтому, хотя (например) 238Pu производит 0,55 Вт/г альфа-излучения, он в основном используется в термоэлектрических схемах, а не в прямых преобразователях энергии.
  4. Гамма-излучение. Многие изотопы имеют гамма-излучение как вторичный способ распада. Поскольку этот тип излучения трудно экранировать, это означает, что выбор изотопов, пригодных для использования в батареях, ограничивается только чистыми бета-излучателями.
  5. Тормозное излучение. Торможение электронов производит такое излучение, которое необходимо было экранировать. Опять же, это ограничивает наш выбор изотопов изотопами с относительно низкой энергией распада.
  6. Низкий объем производства / Экономика. Многие изотопы стоят слишком дорого, чтобы их можно было использовать в широком спектре приложений. Частично это объясняется малым объемом производства, а частично производственным процессом, который будет затратным при всех объемах, поскольку требует энергозатратного разделения изотопов и специальных установок для работы с радиоактивными материалами. Например, тритий (один из материалов для бетавольтаики) стоит около 30 000 долларов за грамм, а его мировое годовое производство составляет 400 г (из Википедии).
  7. Безопасность / Нормативы / Восприятие: 63 грамма 63Ni составляют более 3500 кюри радиоактивности, что определенно потребует правил обращения и, вероятно, не будет разрешено внутри одной единицы для неограниченного использования в гражданских целях. Мы знаем, что при правильном использовании бета-вольтаика безопасна. Но как насчет неправильного использования/неправильной утилизации/возможности злоупотребления? В любом случае, нынешнее восприятие атомной энергетики широкой общественностью не очень хорошее, поэтому маркетинг ядерных батарей будет представлять определенную проблему.

В ответе упоминается, что достижения в области технологий могут помочь в решении этих проблем. Итак, вот достижения этой технологии в моем окружении.

  1. Выберите правильный изотоп для миссии. С точки зрения сюжета, это удивительный источник напряжения. Кроме того, перенос заряжаемых единиц для получения энергии для определенных приложений на более поздних этапах миссии является решением. В начале миссии устройство находится намного выше обычных энергетических потребностей.

  2. «Конечно, есть изотопы с гораздо более высокой плотностью мощности, но они сталкиваются с другими проблемами». Отлично. Что это за другие проблемы? Можно ли с ними справиться? Особенно изотопы с периодом полураспада в часах, днях и неделях интересны для многих приложений.

  3. Поскольку меня больше интересуют мощные недолговечные приложения, это не является большой проблемой. В случае, если это имеет значение, обслуживание и резервные системы являются ответом.

  4. 5. Передовые био- и нанотехнологии сделали радиационный ущерб гораздо менее актуальным. Это раздражение, не более того.

  5. Экономика термоядерного синтеза делает затраты энергии на производство соответствующих изотопов гораздо более приемлемыми.

  6. Критики ядерной энергетики могут обсудить свои проблемы с главным лучом смерти моего Гандама.

Итак, есть ли какие-либо другие проблемы, препятствующие использованию Alpha и Beta-Voltaics от всего, от силовых оружейных celks до synthsects и Mechas?

Типичный полуприцеп имеет мощность 500 л.с. или 373 000 Вт. Для вашей батареи потребуется 74,6 тонны изотопа и 746 тонн батареи для ее производства. Дизельный двигатель весит менее 2 тонн. Может быть, вы просто хотите дизель в вашем мехе? Кроме того, вам, вероятно, следует проверить свой бюджет. Я предполагаю, что 74,6 тонны радиоизотопной батареи будут очень дорогими.
@puppetsock О каком изотопе мы говорим? Изотоп может означать что угодно, от плутония до трития, и существуют значительные различия в плотности энергии и выходе.
Я думаю, вы решили основную проблему с Alpha и Beta-Voltaics. У них может быть высокая удельная энергия , но низкая плотность мощности , и нет никакого практического способа обойти это.
Ответ Стивена великолепен, но я хотел решить вашу проблему № 3: чем мощнее ваше приложение, тем быстрее будут повреждены полупроводники, потому что у вас будет гораздо более высокая энергия распада и дополнительная масса/объем, который вы бы требуется добавить избыточность, достаточную для решения этой проблемы, что уменьшит / устранит преимущества.
@jdunlop, если бы основным источником излучения были «просто» альфа- или бета-частицы, организовать экранирование не так уж сложно.
@TheDyingOfLight Что ты имеешь в виду под «какими изотопами?» В вашем вопросе говорится, что радиоактивный материал составляет 5 Вт/кг, а батарея в 10 раз больше.
@StarfishPrime - нет, проблема заключается в повреждении полупроводников, которые должны быть поражены бета-частицами для выработки энергии. Защита их от бета-излучения противоречила бы предполагаемой цели «батареи».
@jdunlop ааа, верно. Но очевидно, что бета-вольтаика уже существует, и высокая активность не означает более высоких энергий распада. Устройство высокой мощности не обязательно будет самоподжаривающимся. Что-то, что производило бета-частицы с особенно высокой энергией, могло поджечь вольтаиков, даже если его активность была низкой, и в результате устройство было довольно маломощным.
@StarfishPrime - из цитируемого раздела в OP: «Если мы попытаемся увеличить мощность за счет использования изотопов с более высокой энергией распада, мы обнаружим, что электроны с высокой энергией повреждают полупроводники, сокращая срок службы батарей в разы, намного короче, чем период полураспада изотопа». Таким образом, изотопы с более высокой энергией поджаривают полупроводники быстрее, чем изотопы с более низкой энергией, что является одним из препятствий на пути к высокоэнергетической бета-вольтаике, присущей этой технологии.
Затем @jdunlop используйте материалы с высокой активностью и низким энергопотреблением, как я предложил, или механизмы извлечения энергии, не основанные на полупроводниках, как предложил ОП.

Ответы (2)

TLDR: это мощный правдоподобный источник питания, но, вероятно, он не такой революционный, каким должен быть.

Проблема здесь заключается в различии (и компромиссе) между плотностью мощности и плотностью энергии . Чтобы использовать пример 63 Н я , 63 г исходного материала содержат один моль ядер, каждое из которых в конечном итоге распадется с выделением (в среднем) 17 кэВ энергии. Это полная плотность энергии

6 × 10 23   ×   17   ×   1,6 × 10 − 16 ≈ 1,7 × 10 9   Дж

1,7 гигаджоуля вполне достаточно для чего-то такого же объема, как батарея размера C. Стандартная щелочная батарея типа C может удерживать заряд 8 Ач при напряжении 1,5 В при общем содержании энергии 43 кДж, поэтому ядерная батарея держит 10 5 раз больше энергии, чем у стандартной батареи. Эквивалентный объем бензина весит около 5 г и содержит 232 кДж химической энергии; эквивалентная масса бензина содержит 2,7 МДж, то есть в 620 раз меньше, чем ядерная батарея. Тот факт, что число 620 невелико, беспокоит его как революционно новый источник питания, потому что, как описано, он сопряжен со многими инженерными проблемами.

Эта конкретная батарея будет отдавать эту мощность непрерывно, с экспоненциальным спадом, так что вы извлечете 90% ее в течение трехсот пятидесяти лет или примерно 11 гигасекунд, что возвращает плотность мощности к описанным уровням (~ 300 мВт для 63-граммовая батарея размера C). Это не очень полезно для меха или луча смерти: нам нужна эта сила в течение нескольких часов или дней, как вы говорите. Различные изотопы имеют совершенно разные периоды полураспада, но энергия бета-распада обычно имеет один и тот же порядок величины; как (в порядке величины) плотность материала. Таким образом, общее энергетическое содержание батареи в целом одинаково для разных номинальных мощностей.

Снисходительно предположим, что мы можем выбрать изотоп с периодом полураспада 100 килосекунд (т.е. чуть больше суток), так что 10 5 раз меньше, чем 63 Н я , и что мы можем решить все инженерные проблемы, связанные с увеличением мощности в сто тысяч раз, и при этом безопасно и эффективно улавливать всю энергию (теперь 30 кВт). Полученная батарея обеспечивает около 40 лошадиных сил в день, чего достаточно для питания Mercedes Simplex (даты производства 1902-1909 гг.), а восемнадцать из них могли бы питать модель Tesla S. Это потрясающе по любым объективным меркам... но это действительно революционно?

Классическая «большая механическая штука», которую обычно вытаскивают как наиболее близкую к мехе, — это Bagger 293 , угольный экскаватор весом 14,2 килотонны, который питается от внешнего источника с источником питания 16,3 мегаватт. Чтобы привести этот относительно простой механизм в действие нашими ядерными батареями, нам понадобится банк из чуть более 500 штук, весом 34 кг. Реально их следует рассматривать как топливные гранулы, которые потребляются и извлекаются для повторной очистки каждый день. 33 кг ужасающе радиоактивного топлива в день не является необоснованным запросом на меха — это сфера диаметром около 20 см — хотя мы потенциально упустили несколько порядков эффективности при рассмотрении теоретических максимумов. Но в основном мы упускаем из виду тот факт, что мы уже можемполучить столько энергии от 32 тонн дизельного топлива, что также не является огромным требованием для машины такого размера, и, вероятно, ее намного проще транспортировать, обрабатывать и проектировать.

Вы не можете увеличить выходную мощность этих батарей на 10 ^ 5, независимо от того, какой изотоп вы используете. Они растают задолго до того, как вы извлечете из них столько энергии. А методы генерации электричества насытятся задолго до этого.
Вы не могли увеличить его до этого уровня и сохранить в форме батареи размера C , нет. Но, разбив его на более мелкие гранулы и поместив в радиатор, вы сможете контролировать тепло (и, возможно, даже улавливать его для извлечения дополнительной энергии). Никто не говорит, что с этим источником питания легко работать :-p

Меня больше интересуют мощные недолговечные приложения

Ваши «батарейки» начинают разряжаться, как только они собраны, поэтому у них нет срока годности, о котором можно было бы говорить, и они не подлежат перезарядке. Для их производства вам понадобится что-то вроде ускорителя частиц или специального ядерного реактора. Их разрядная кривая представляет собой экспоненциальную функцию затухания, поэтому бит наивысшей мощности также является самым короткоживущим битом и доступен прямо в тот момент, когда желаемый изотоп декантируется из любого механизма, в первую очередь производящего его. Это также означает, что вам нужен какой-то другой механизм хранения, чтобы сгладить его для большинства целей.

Компактные устройства синтеза, деления и антивещества производят проблематичное количество отработанного тепла, безумно сложны и опасны.

Радиоактивные отходы, завернутые в механизмы извлечения энергии, по-прежнему остаются радиоактивными отходами. Источники излучения высокой мощности также будут горячими. Они могут быть несложными, но они являются продуктом обязательно короткой производственной и логистической цепочки, которая заканчивается каким-то большим, дорогим, неудобным, безумно сложным и опасным оборудованием.

Вы также сделали каждую батарею своей собственной маленькой «грязной бомбой», просто ожидая подходящего количества силы, чтобы распространить ее вокруг, если только вы не упаковали ее очень хорошо , что сделает ее более громоздкой, тяжелой и дорогой, ни одно из которых не является действительно желательно.

Кроме того, безопасная транспортировка радиоактивных отходов сама по себе проблематична, но также затрудняет обнаружение подозрительных источников излучения в пути. Как правило, любые источники излучения, достаточно сильные, чтобы быть интересными, также вызывают удивление, по крайней мере. Если у вас есть много вещей, плавающих вокруг, становится немного легче провозить опасные материалы (например, расщепляющиеся вещества) незаметно для людей.

Являются ли Alpha и Beta-Voltaics решением проблемы хранения энергии в Scifi?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v