DE19738066A1

DE19738066A1 - Kompakte Radionuklidbatterie mit Staubplasmen

Info

Publication number: DE19738066A1
Application number: DE1997138066
Authority: DE
Inventors: Vladimir Prof Dr Baranov; Frederick Dr Boody; Vladimir E Prof Dr Fortov; Reinhard Prof Dr Hoepfl; Heinrich Prof Dr Dr Hora; Aleksandr F Dr Pal; Mark Antony Prof Dr Prelas; Andrey Nikonowitsch Starostin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-09-01
Filing date: 1997-09-01
Publication date: 1999-03-04
Also published as: AU2447699A; WO1999021232A9; WO1999021232A1

Description

Radionuklidbatterien sind üblicherweise sehr ineffizient, schwer und teuer, doch werden sie nichtsdestoweniger in Raumfahrzeugen und ähnlichen wichtigen Anwendungen gebraucht. Eine Bemerkenswerte Verringerung des Gewichtes und eine Steigerung des Effizienz ist möglich, wenn die radioaktiven Nuklide (z. B. Krypton-85 oder Argon 39) ihre eignen Elektronen in ein schmales Excimerband bei einem geringen thermischen Verlust anregen und diese Stahlung in einem Breitbandhalbleiter (z. B. p-n-Diamant) mit hohem Wirkungsgrad in Elektroenergie umgewandelt wird (Deutsche Offenlegungsschrift DE 196 02 875 A1). Die elektrische Leistung per Gewicht ist dann, verglichen mit bisherigen Radionuklidbatterien um einen Fakto 50 oder mehr erhöht.

Der Nachteil besteht immer noch in dem hohen Preis der genannten Radionuklide und dem hohen Druck von bis zu 100 bar und mehr für das Gas was einen teueren und schweren Einschlußbehälter erfordert.

Der Vorteil von DE 196 02 875 A1 mit verlustarmer Konversion der Betaenergie in Excimerlinien und hocheffizientem photovoltaischem Material - verglichen mit vorausgehenden Batterien - wird erfindungsgemäß aufrechterhalten aber eine weitere wesentliche Verbesserung erfindungsgemäß erreicht, wenn die Radionuklide im festen oder flüssigen Zustand als kleine Partikel dispergiert und in mindestens teilweise excimerlinienhaltiges Gase oder Aerosole oder als Staubplasma eingebettet werden.

Das Staubplasma (dust plasma) wurde von Izeki (Phys. Fluids 29, 1764 (1986)) vorherbestimmt und seit 1994 realisiert (V.E. Fortov et al, Pisma ZhETP 64, 86 (1996)). In einem Gas von geringem Druck (1 bar oder weniger) wird ein Plasma geringer Ionisationsrate erzeugt, z. B. mit einer Mikrowellen- oder Radiofrequenzentladung. Wenn fester (Staub) oder flüssige Partikel von 1 bis 100 µm Durchmesser in diesem Plasma dispergiert werden, erzeugen die Doppelschichten zwischen dem Plasma und den Partikeln deren Aufladung mit 1000 bis einer Million Ladungen. Die Coulombkräfte zwischen den Partikeln führen zu deren Abstoßung, so daß kristalline Ordnungen erzeugt werden (Plasma- oder Staubkristalle) in Abhängigkeit von einem sehr hohen Plasmaparameter. Der Mechanismus der Debyelänge und Aufladung durch die Doppelschicht sind wohl bekannt (S. Eliezer und H. Hora, Physics Reports, 172, 339 (1989)).

Erfindungsgemäß werden die Partikel (Staubteilchen) aus radioaktiven Isotopen hergestellt, z. B. elementake Körnchen oder Verbindungen von Strontium-90 oder Technetium-99 (= Masurium-99), mit keiner oder oder sehr geringer Gammaemission, was billige Produkte oder billiger radioaktiver Abfall von Kernspaltreaktoren sind. Der Durchmesser der Staubpartikel ist so klein (einige µm), so daß die Elektronen vom Betazerfall die Staubpartikel nahezu ohne Verlust verlassen. Das umgebende schwach ionisierte Plasma besteht wenigstens teilweise aus Gasen (z. B. Krypton oder Argon) mit Excimerlinien, so daß eine beträchtliche Energiemenge der Betaelektronen in diese Strahlung umgewandelt wird. Die Behälterwände enthalten photovoltaische Schichten mit breiten verbotenen Zonen wie z. B. Diamand, die die von den Betaelektronen erzeugte optische Energie in Elektroenergie umwandeln.

Die Energie zur Aufrechterhaltung der Gasentladung wird kleiner gehalten als die erzeugte Elektroenergie. Zum Unterschied dazu, kann erfindungsgemäß die Batterie auch ohne alle äußere Hilfsenergiezufuhr zur Aufrechterhaltung des Plasmazustandes arbeiten. Das wird mit einem stabilen Ärosolzustand für die Staubpartikel verwirklicht oder durch Wahl der partiellen Ionisierung des Gases durch zwischen den Staubpartikeln mittels der Betastrahlung selbst.

Um die Gravitationswirkung auf die Staubpartikel zu kompensieren und diese im Gas- Plasmazustand stationär einzubetten (nicht notwendig in einem kristallinen Zustand), wird die Wand des Behälters mit einem Isolator ausgekleidet. In diesem Fall lagert die Doppelschicht wieder negative Ladung in die Wand ein, welche die negativ geladenen Staubpartikel von der Wand zurückstößt. Bild 1 beschreibt diesen Typ einer Batterie, wobei erfindungsgemäß keine äußere Energiezufuhr nötig ist. 1 sind die Staubpartikel, die das radioaktive Isotop enthalten. 2 ist das mäßig ionisierte Gas (Plasma), 3 ist ein Isolator mit guter optischer Transparenz für die aus dem Plasma kommende Strahlung, 4 ist ein ähnlich transparenter elektrische Leiter (z. B. Zinndioxyd), 5 ist die photovoltaische Schicht aus Diamand (siehe Hora und Prelas, Diamond and Related Materials, 4, 1376 (1995)) oder aus einem weniger effizienten, dafür aber sehr viel billigerem Material wie GaAs oder Silizium und 6 ist ein elektrischer Leiter, so daß die elektrische Leistung zwischen 4 und 6 gewonnen werden kann.

Claims

1. Radionuklidbatterie gekennzeichnet dadurch, daß das Radionuklid sich in Staubpartikeln befindet welche Gas oder Plasma suspendiert sind, dessen radioaktiv erzeugte Strahlung in photovoltaischen Schichten in der Behälterwand der Anordnung in Elektrizität umgewandelt wird.

2. Radionuklidbatterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Plasmazustand des Gases durch eine äußere Gleichstromentladung erzeugt wird.

3. Radionuklidbatterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Plasmazustand des Gases durch eine Wechselstromentladung einschließlich des Hochfrequenz oder Mikrowellenbereiches erzeugt wird.

4. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Staubpartikel fest oder flüssig sind und einen Durchmesser von 0,1 bis 50 µm haben.

5. Radionuklidbatterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß keine äußere Energiequelle für die Entladung gebraucht wird.

6. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Staubteilchen ein stabiles Aerosol sind.

7. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß eine partielle Plasmatisierung des Gases zwischen den Staubpartikeln stationär durch die radioaktive Emission aus dem Radionuklid in den Staubpartikeln erzeugt wird.

8. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Innenwand des Gefäßes der Anordnung aus einem Isolator besteht, der für die optische Strahlung aus dem Plasma mindestens partiell transparent ist.

9. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß das Radionuklid ein Betastrahler ist.

10. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, daß das Radionuklid eine Betastrahle ohne Gammaemission ist.

11. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß das Radionuklid ein Alphastrahler ist.

12. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, daß der photovoltaische Umwandler ein Breitbandhalbleiter ist.

13. Radionuklidbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 12, gekennzeichnet dadurch, daß das Gas zwischen den Staubpartikeln Atome oder Moleküle mit schmalen Excimerlinien enthält.