परमाणु बैटरी
एक परमाणु बैटरी, न्यूक्लियर बैटरी, रेडिओआइसोटोप बैटरी या रेडिओआइसोटोप जनरेटर एक ऐसी डिवाइस है जो एक विकर्णक आइसोटोप के क्षय से उत्पन्न होने वाली ऊर्जा का उपयोग विद्युत उत्पन्न करने के लिए करता है। न्यूक्लियर ऊर्जा से विद्युत उत्पन्न करते हैं, लेकिन इस तरह के उपकरण एक श्रृंखला प्रतिक्रिया का उपयोग नहीं करते हैं। इन्हें आमतौर पर बैटरी कहा जाता है, लेकिन तकनीकी रूप से ये इलेक्ट्रोकेमिकल नहीं होते और उन्हें चार्ज या रीचार्ज नहीं किया जा सकता है। ये बहुत महंगे होते हैं, लेकिन उनका बेहद लम्बा जीवन और उच्च ऊर्जा घनत्व होता है, इसलिए आमतौर पर वे उन उपकरणों के लिए विद्युत श्रोत के रूप में प्रयुक्त किए जाते हैं जो दीर्घकालिक रूप से अनावश्यक होने वाले स्थानों में काम करने के लिए होते हैं, जैसे कि अंतरिक्ष यान, पेसमेकर्स, अंडरवॉटर सिस्टम और दुनिया के दूरस्थ क्षेत्रों में स्वचालित वैज्ञानिक स्थानों के उपकरणों के लिए।[1][2][3]
न्यूक्लियर बैटरी प्रौद्योगिकी 1913 में शुरू हुई, जब हेनरी मोसले पहली बार एक रेडियोऐक्टिव नौकीक किरणों द्वारा उत्पन्न विद्युत दर्शाये। इस क्षेत्र ने 1950 के और 1960 के दशक में अंतरिक्ष की आवश्यकताओं के लिए दीर्घ जीवन विद्युत स्रोत की आवश्यकता वाले उपयोगों के लिए गहरी अनुसंधान ध्यान में रखा। 1954 में आरसीए ने छोटे रेडियो रिसीवर्स और सुनने वालों के लिए एक छोटी सी परमाणु बैटरी का अनुसंधान किया।[4] आरसीए के प्रारंभिक अनुसंधान और विकास के बाद, न्यूक्लियर स्रोतों से विद्युत ऊर्जा निकालने के लिए कई प्रकार और तरीके डिज़ाइन किए गए हैं। वैज्ञानिक सिद्धांतों के बारे में अच्छे तरीके से जाना जाता है, लेकिन आधुनिक नैनो-स्केल प्रौद्योगिकी और नए व्यापक बैंडगैप सेमीकंडक्टर्स ने पहले उपलब्ध नहीं होने वाली नई डिवाइस और रोचक सामग्री की रचना की है।
न्यूक्लियर बैटरियों को ऊर्जा परिवर्तन प्रौद्योगिकी के आधार पर दो मुख्य समूहों में वर्गीकृत किया जा सकता है: ताप परिवर्तक और गैर-ताप परिवर्तक। ताप प्रकार न्यूक्लियर विकसन द्वारा उत्पन्न गर्मी का कुछ हिस्सा को बिजली में परिवर्तित करते हैं। सबसे प्रमुख उदाहरण रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (आरटीजी) है, जिसे अक्सर अंतरिक्ष यानों में प्रयुक्त किया जाता है। गैर-ताप परिवर्तक सीधे उत्पन्न किरणों से ऊर्जा निकालते हैं, जिससे वह गर्मी में बदल जाने से पहले हो जाती है। इन्हें स्कैल को छोटा करना आसान होता है और उन्हें संचालित करने के लिए एक ताप ढाल की आवश्यकता नहीं होती, इसलिए वे छोटे मात्रा में उपयोग के लिए उपयुक्त होते हैं। सबसे प्रमुख उदाहरण बीटावोल्टिक सेल है।
परमाणु बैटरियों की आमतौर पर दक्षता 0.1–5% होती है। उच्च-कुशलता वाले बीटावोल्टिक उपकरण 6–8% कुशलता तक पहुंच सकते हैं।[5]
थर्मल रूपांतरण
तापायनिक रूपांतरण
एक थर्मियोनिक परिवर्तक एक गर्म इलेक्ट्रोड से मांस यौथिक रूप से इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करता है, जो एक ठंडे इलेक्ट्रोड की ओर एक अपयोगी विद्युत शक्ति उत्पन्न करने के लिए एक अंतरिक्ष-चार्ज बैरियर को पार करते हैं। सीज़ियम वाष्प इलेक्ट्रोड कार्य कार्यों को बेहतर बनाने और इलेक्ट्रॉन अंतरिक्ष प्रभार को संतुलित करने के लिए उपयोग किया जाता है (सतह आयनीकरण द्वारा)।[6]
थर्मोइलेक्ट्रिक रूपांतरण
.jpg)
एक रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (आरटीजी) थर्मोकपल्स का उपयोग करता है। प्रत्येक थर्मोकपल दो विभिन्न धातुओं (या अन्य सामग्रियों) की दो तारों से बना होता है। प्रत्येक तार की लम्बाई के साथ एक तापमान विभाजन विभाजन एक तार के एक सिर से दूसरे सिर तक एक वोल्टेज विभाजन पैदा करता है; लेकिन विभिन्न सामग्रियां तापमान अंतर के प्रति वोल्टेज अंतर पैदा करती हैं। तारों को एक सिर पर जोड़कर, उस सिर को गर्म करते हुए दूसरे सिर को ठंडा करते हुए, बिना जड़े हुए तारों के बीच में एक उपयोगी, लेकिन छोटी सी (मिलीवोल्ट) वोल्टेज पैदा होता है। प्रैक्टिस में, बहुत सारे थर्मोकपलों को सिरीज (या पैरलल) में जोड़ा जाता है ताकि एक ही गर्मी स्रोत से बड़ा वोल्टेज (या धारा) पैदा किया जा सके, जैसे कि गर्म सिरों से ठंडे सिरों की ओर गर्मी बहती है। धातु थर्मोकपल्स की तापमान से विद्युतीय दक्षता कम होती है। हालांकि, बिस्मथ टेलुराइड और सिलिकॉन जर्मेनियम जैसी सेमीकंडक्टर सामग्रियों में डाक्षिणापूर्ण दक्षता और चार्ज को समायोजित किया जा सकता है ताकि बहुत अधिक परिवर्तन दक्षता प्राप्त की जा सकता है।[7]
thermophotovoltaic रूपांतरण
थर्मोफोटोवोल्टेक (TPV) सेल एक फोटोवोल्टाइक सेल के समान सिद्धांतों के अनुसार काम करते हैं, केवल इस बजाय कि वे एक गर्म सतह द्वारा उत्पन्न अवरक्त प्रकाश (दृश्य प्रकाश की बजाय) को बिजली में परिवर्तित करते हैं। थर्मोफोटोवोल्टेक सेल्स की कुशलता थर्मोइलेक्ट्रिक कपलों से थोड़ी अधिक होती है और उन्हें थर्मोइलेक्ट्रिक कपलों पर ओवरले किया जा सकता है, संभावित रूप से कुशलता को दोगुना करते हुए। ह्यूस्टन विश्वविद्यालय TPV रेडियोआइसोटोप पावर कनवर्शन प्रौद्योगिकी विकास प्रयास इस दिशा में कदम बढ़ा रहा है कि TPV सेल्स को TPV कपल्स के साथ एक साथ जोड़कर मौजूदे थर्मोइलेक्ट्रिक रेडियोआइसोटोप जनरेटर्स के सिस्टम की कुशलता को 3 से 4 गुणा तक बढ़ावा देने का उद्देश्य है।[citation needed]
स्टर्लिंग जनरेटर
एक स्टर्लिंग रेडियोआइसोटोप जनरेटर एक स्टर्लिंग इंजन होता है जिसे एक रेडियोआइसोटोप द्वारा उत्पन्न तापमान अंतर द्वारा चलाया जाता है। एक अधिक कुशल संस्करण, उन्नत स्टर्लिंग रेडियोआइसोटोप जनरेटर, नासा द्वारा विकसित हो रहा था, लेकिन 2013 में बड़े पैमाने पर लागत के अत्यधिक उल्लिपियों के कारण इसे रद्द कर दिया गया।[8]
गैर-थर्मल रूपांतरण
गैर-ताप परिवर्तक वो ऊर्जा निकालते हैं जो बिजली में परिवर्तित होने से पहले गर्मी में गिर जाती है, जब उसे विकसन किया जाता है। थर्मोइलेक्ट्रिक और थर्मोनिक परिवर्तकों की तरह, उनका उत्पाद तापमान अंतर पर नहीं निर्भर करता है। गैर-ताप जनरेटर्स को उपयोग किए जाने वाले ऊर्जा के प्रकार और उनके ऊर्जा को परिवर्तित करने के तरीके के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है।
इलेक्ट्रोस्टैटिक रूपांतरण
उत्सर्जित आवेशित कणों से ऊर्जा तब निकाली जा सकती है जब उनका आवेश किसी चालक में जमा हो जाता है, जिससे एक इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षमता पैदा होती है। अपव्यय मोड के बिना वोल्टेज विकिरणित कणों की ऊर्जा तक बढ़ सकता है, जो कि कई किलोवोल्ट (बीटा विकिरण के लिए) से लेकर मेगावोल्ट (अल्फा विकिरण) तक हो सकता है। निर्मित इलेक्ट्रोस्टैटिक ऊर्जा को निम्नलिखित में से किसी एक तरीके से प्रयोग करने योग्य बिजली में बदला जा सकता है।
डायरेक्ट-चार्जिंग जनरेटर
एक सीधा चार्जिंग जनरेटर में एक संधारित्र से चार्ज पार्टिकल्स की वर्तमान तार के द्वारा चार्ज किया जाता है, जो एक इलेक्ट्रोड पर एक रेडियोऐक्टिव परत पर जमाई गई होती है। इंटरवल या डाईइलेक्ट्रिक हो सकता है। नेगेटिव चार्ज वाले बीटा कण या पॉजिटिव चार्ज वाले अल्फा कण, पोजीट्रान या विखंडन उत्पादों का उपयोग किया जा सकता है। यद्यपि इस प्रकार के न्यूक्लियर-इलेक्ट्रिक जनरेटर का आरम्भ 1913 में हुआ था, सीधे चार्जिंग जनरेटर्स द्वारा प्रदान किए जाने वाले अत्यंत कम धारा और कठिनता से बढ़ते वोल्टेज के कारण, पिछले में बिजली उत्पन्न करने के लिए कुछ अनुप्रयोग मिले हैं। विशिष्टत रूप से वोल्टेज को कम करने के लिए ऑसिलेटर/ट्रांसफॉर्मर प्रणालियों का उपयोग किया जाता है, फिर रेक्टिफायर्स का उपयोग एसी विद्युत को डायरेक्ट करंट में बदलने के लिए किया जाता है।
अंग्रेजी भौतिक शास्त्री एच. जी. जे. मोसली ने पहला ऐसा निर्माण किया था। मोसली की यंत्रिका एक ग्लास ग्लोब था, जिसकी अंदर की ओर एक रेडियम इमिटर सेंटर पर एक तार की सिफर पर मौजूद था। रेडियम से चार्ज पार्टिकल्स रेडियम से ग्लोब की अंदरी सतह तक तेजी से चलते हुए बिजली की एक धारा का निर्माण करते थे। 1945 के रूप में तक मोसली मॉडल अन्य विशेषज्ञों की मदद की और रेडियोऐक्टिव तत्वों के उत्सर्जन से बिजली उत्पन्न करने के प्रयोगशील बैटरी निर्माण करने के लिए अन्य प्रयासों का मार्गदर्शन किया।
विद्युत यांत्रिक रूपांतरण
इलेक्ट्रोमैकेनिकल एटॉमिक बैटरी दो प्लेट्स के बीच चार्ज के निर्माण का उपयोग करती है ताकि एक लचीली प्लेट को दूसरी की ओर खींच सके, जब तक दो प्लेट्स एक दूसरे को छू न लें, डिस्चार्ज कर दें, इलेक्ट्रोस्टैटिक निर्माण को समतल कर दें, और फिर वापस उच्चालित हो जाएं। उत्पन्न मैकेनिकल मोशन को पाए जाने पर पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री को झूक कर या एक लीनियर जनरेटर के माध्यम से बिजली उत्पन्न करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। चार्ज दर के आधार पर पुल्सों में मिलीवॉट्स की बिजली उत्पन्न होती है, कुछ मामलों में सेकंड (35 हर्ट्ज़) के अनुसार कई बार।[9]
रेडियोवोल्टिक रूपांतरण
रेडियोवॉल्टेक (आरवी) उपकरण इयोनाइजिंग रेडिएशन की ऊर्जा को सीधे बिजली में परिवर्तित करता है, एक अर्धचालक जंक्शन का उपयोग करके, जैसे कि एक फोटोवॉल्टेक सेल में फोटों को बिजली में परिवर्तित करने के रूप में। जिस प्रकार की रेडिएशन को लक्षित किया जाता है, वे उपकरण अल्फावॉल्टेक (AV, αV), बीटावॉल्टेक (BV, βV) और/या गामावॉल्टेक (GV, γV) कहलाते हैं। बीटावॉल्टेक्स को पारंपरिक रूप से सबसे ज्यादा ध्यान मिला है क्योंकि (कम ऊर्जा वाले) बीटा इमीटर्स सबसे कम रेडिएशनी नुकसान का कारण बनते हैं, इससे एक लम्बी ऑपरेटिंग जीवन और कम शील्डिंग संभावित होता है। एल्फावॉल्टेक और (हाल ही में) गामावॉल्टेक उपकरणों में अधिक कुशलता की संभावना होने के कारण इनके प्रति रुचि हो रही है।
अल्फावोल्टिक रूपांतरण
अल्फावोल्टिक उपकरण ऊर्जावान अल्फा कणों से विद्युत ऊर्जा का उत्पादन करने के लिए एक अर्धचालक जंक्शन का उपयोग करते हैं।[10][11]
बीटावोल्टिक रूपांतरण
बीटावोल्टिक उपकरण ऊर्जावान बीटा कणों (इलेक्ट्रॉनों) से विद्युत ऊर्जा का उत्पादन करने के लिए अर्धचालक जंक्शन का उपयोग करते हैं। आमतौर पर उपयोग किया जाने वाला स्रोत हाइड्रोजन आइसोटोप ट्रिटियम है।
बीटावोल्टिक उपकरण विशेष रूप से कम-शक्ति वाले विद्युत अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं जहां ऊर्जा स्रोत के लंबे जीवन की आवश्यकता होती है, जैसे कि प्रत्यारोपण चिकित्सा उपकरण या सैन्य और अंतरिक्ष अनुप्रयोग।[12]
गामावोल्टिक रूपांतरण
गामावॉल्टेक उपकरण ऊर्जाशील गामा कणों (उच्च ऊर्जा फोटॉन्स) से बिजली उत्पन्न करने के लिए एक सेमीकंडक्टर जंक्शन का उपयोग करते हैं। इनके प्रति केवल 2010 के दशक[13][14][15][16] में ही विचार किया गया है, लेकिन इन्होंने 1981 में ही प्रस्तावित किए गए थे।[17]
पेरोव्स्काइट सोलर सेल्स में एक गामावॉल्टेक प्रभाव की रिपोर्ट की गई है।[13] एक अन्य पेटेंटेड डिज़ाइन गामा कण को फैलाने की बात करता है जब तक उसकी ऊर्जा कम हो जाती है ताकि उसे एक सामान्य फोटोवॉल्टेक सेल में अवशोषित किया जा सके।[14] डायमंड और शोट्की डायोड का उपयोग करके गामावॉल्टेक डिज़ाइन का भी अन्वेषण किया जा रहा है।[15][16]
रेडियोफोटोवोल्टिक (ऑप्टोइलेक्ट्रिक) रूपांतरण
रेडियोफोटोवॉल्टेक (आरपीवी) डिवाइस में ऊर्जा परिवर्तन प्रत्यक्ष नहीं होता: पहले उत्सर्जित कणों को एक रेडियोल्यूमिनेसेंट सामग्री (एक सिंटिलेटर या फॉस्फोर) का उपयोग करके प्रकाश में परिवर्तित किया जाता है, और फिर प्रकाश को एक फोटोवॉल्टेक सेल का उपयोग करके बिजली में परिवर्तित किया जाता है। प्रतिकण के प्रकार के आधार पर, परिवर्तन प्रकार को अधिक सटीक रूप से अल्फाफोटोवॉल्टेक (APV या α-PV),[18] बीटाफोटोवॉल्टेक (BPV या β-PV),[19] या गैमाफोटोवॉल्टेक (GPV या γ-PV)[20] के रूप में निर्दिष्ट किया जा सकता है।
रेडियोफोटोवॉल्टेक परिवर्तन को प्रदर्शन दृश्य में बढ़ाने के लिए रेडियोवॉल्टेक परिवर्तन के साथ जोड़ा जा सकता है ताकि परिवर्तन की दक्षता बढ़ सके।[21]
पेसमेकर
मेडट्रॉनिक और अल्काटेल ने एक प्लूटोनियम-संचालित पेसमेकर, न्यूमेक NU-5, विकसित किया था, जिसे प्लूटोनियम 238 की 2.5 Ci स्लग से संचालित किया जाता था, जो कि पहली बार 1970 में एक मानव रोगी में इम्प्लांट किया गया था। 1970 के दशक में इम्प्लांट किए गए 139 Numec NU-5 न्यूक्लियर पेसमेकर्स की उम्मीद है कि उन्हें कभी बदलने की आवश्यकता नहीं होगी, जो गैर-न्यूक्लियर पेसमेकर्स के साथ तुलना में एक फायदा है, जिनके बैटरी को हर 5 से 10 साल में शल्यक्रिय रूप से बदलने की आवश्यकता होती है। प्लूटोनियम "बैटरी" से उम्मीद है कि यह प्लूटोनियम की 88 वर्ष की आधी-जीवन की अवधि से भी अधिक समय तक सर्किट को चलाने के लिए पर्याप्त शक्ति उत्पन्न करेगी।[22][23][24][25] बीटावोल्टिक बैटरीज लीड-मुक्त पेसमेकर्स के लिए दीर्घकालिक शक्ति स्रोत के रूप में भी विचार किए जा रहे हैं।[26]
रेडियोआइसोटोप का उपयोग किया गया
एटॉमिक बैटरीज उपयोग करती हैं रेडिओआइसोटोप्स जो कम ऊर्जा वाले बीटा कणों को उत्पन्न करते हैं, या कभी-कभी भिन्न ऊर्जा के अल्फा कणों को। उच्च ऊर्जा पेनेट्रेटिंग ब्रेम्सट्राहलंग रेडिएशन के उत्पन्न होने को रोकने के लिए कम ऊर्जा वाले बीटा कणों की आवश्यकता होती है, जिसके लिए भारी शील्डिंग की आवश्यकता होती है। ट्रिटियम, निकेल-63, प्रोमेथियम-147, और टेक्नेशियम-99 जैसे रेडिओआइसोटोप्स का परीक्षण किया गया है। प्लूटोनियम-238, क्यूरियम-242, क्यूरियम-244 और स्ट्रॉन्शियम-90 का उपयोग किया गया है।[27] इस्टोप की उपयोग की न्यूक्लियर गुणों के अलावा, रासायनिक गुणों और उपलब्धता की भी समस्याएँ होती हैं। एक उत्पाद जो न्यूट्रॉन इरेडिएशन द्वारा या एक पार्टिकल एक्सेलरेटर में जानबूझकर उत्पन्न किया गया है, वो खरीदना स्पेंट न्यूक्लियर ईंधन से निकाले जाने वाले एक विखंडन उत्पाद की तुलना में कठिन होता है।
प्लूटोनियम-238 को न्यूट्रॉन इरेडिएशन के द्वारा जानबूझकर उत्पन्न किया जाना चाहिए, लेकिन इसे आसानी से एक स्थिर प्लूटोनियम ऑक्साइड से परिवर्तित किया जा सकता है। स्ट्रॉन्शियम-90 को स्पेंट न्यूक्लियर ईंधन से आसानी से निकाला जा सकता है, लेकिन इसे केमिकल गतिशीलता को कम करने के लिए पेरोव्स्काइट फॉर्म स्ट्रॉन्शियम टाइटेनेट में परिवर्तित करना होता है, जिससे शक्ति घनत्व को आधे में कम किया जाता है। केसियम-137, एक अन्य उच्च प्रतिफलन न्यूक्लियर फिशन उत्पाद, एटॉमिक बैटरीज में बार-बार उपयोग किया जाने की बजाय किसी रूप में रासायनिक निष्क्रिय पदार्थों में परिवर्तित करना कठिन होता है। स्पेंट न्यूक्लियर ईंधन से निकाले जाने वाले केसियम-137 के एक और अवांछनीय गुण है कि इसमें दूसरे केसियम के इसोटोप्स के साथ प्रदूषित होता है, जिससे शक्ति घनत्व कम हो जाता है।
माइक्रो-बैटरी
माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (एमईएमएस) के क्षेत्र में, विस्कॉन्सिन विश्वविद्यालय, मैडिसन के परमाणु इंजीनियरों ने छोटी बैटरी बनाने की संभावनाओं का पता लगाया है जो विद्युत ऊर्जा का उत्पादन करने के लिए पोलोनियम या क्यूरियम जैसे पदार्थों के रेडियोधर्मी नाभिक का शोषण करती हैं।[citation needed] एक एकीकृत, स्व-संचालित एप्लिकेशन के उदाहरण के रूप में, शोधकर्ताओं ने एक ऑसिलेटिंग ब्रैकट बीम बनाया है जो ईंधन भरने की आवश्यकता के बिना बहुत लंबे समय तक लगातार, आवधिक दोलनों में सक्षम है। चल रहे कार्य से पता चलता है कि यह कैंटिलीवर रेडियो फ़्रीक्वेंसी ट्रांसमिशन में सक्षम है, जिससे एमईएमएस डिवाइस एक दूसरे के साथ वायरलेस तरीके से संचार कर सकते हैं।
ये माइक्रो-बैटरी बहुत हल्की हैं और एमईएमएस उपकरणों में उपयोग के लिए बिजली आपूर्ति के रूप में और आगे नैनोडिवाइसेस के लिए आपूर्ति के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्रदान करती हैं।[28]
जारी विकिरण ऊर्जा विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है, जो उस उपकरण के क्षेत्र तक सीमित होती है जिसमें प्रोसेसर और माइक्रो-बैटरी होती है जो इसे ऊर्जा प्रदान करती है।