Nano-Diamant-Batterien: Umweltfreundliche, Hochleistungs-Energie für alle Geräte

Modernes Leben ist stark abhängig von mobilen batteriebetriebenen Geräten, die tägliche Aspekte unseres Lebens beeinflussen, von Telekommunikationsgeräten bis hin zu Transportfahrzeugen. Es gibt eine steigende Nachfrage nach effizienten und kosteneffektiven Batterien. Konventionelle Batterien waren mit zahlreichen Bedenken behaftet, und im Zeitalter wachsenden Bewusstseins für globale Erwärmung und Abfallanhäufung muss die Produktion im Einklang mit Prinzipien und Prozessen nachhaltiger Entwicklung stehen.

Die Nano Diamond Battery (NDB) ist eine hochleistungsfähige, diamantbasierte Alpha-, Beta- und Neutronen-Voltaik-Batterie, die lebenslange grüne Energie für zahlreiche Anwendungen liefern und Limitationen bestehender chemischer Batterien überwinden kann. Die NDB verhält sich wie ein winziger Kernkraftgenerator. Die Energiequelle für die NDB sind mittel- und hochradioaktive Isotope, die durch mehrere Ebenen synthetischen Diamants zum Schutz abgeschirmt sind. Die Energie wird im Diamant durch einen Prozess namens inelastische Streuung absorbiert, der zur Stromerzeugung genutzt wird. Der Selbstladeprozess wird eine Ladung für die volle Lebensdauer jedes Geräts oder jeder Maschine liefern, mit bis zu 28.000 Jahren Batterielebensdauer.

Da die Batterie selbstladend ist und nur Exposition gegenüber natürlicher Luft erfordert, kann überschüssige Ladung in Kondensatoren, Superkondensatoren und Sekundärzellen gespeichert werden, um die Batterielebensdauer für Handys, Flugzeuge, Raketen, Elektrofahrzeuge, Sensoren und andere Geräte und Maschinen zu verlängern.

Systemtechnologien

Diamond Nuclear Voltaic (DNV) Technologie – Als Gerät ist DNV eine Kombination aus Halbleiter, Metall und Keramik, die zwei Kontaktflächen zur Erleichterung der Ladungssammlung hat. Mehrere Einzelgeräte sind über leitfähige Kanäle verbunden, die durch Abscheidung von Ni an der Seite des DNV gefertigt werden, um einen +ve und -ve Kontakt des Batteriesystems zu schaffen, was als DNV-Stacks bezeichnet wird. Dazwischen befinden sich Radioisotope, die beim Zerfall entweder Alpha-, Beta- oder Neutronenstrahlung freisetzen. Diese wird dann im einkristallinen Diamanten (SCD) im DNV-Gerät inelastisch gestreut, um Ladungen zu erzeugen, die von den Ladungssammlern gesammelt werden.

Jede Schicht des DNV-Stacks besteht aus einer Hochenergie-Ausgangsquelle. Diese Art der Anordnung verbessert die Gesamteffizienz des Systems und bietet einen mehrschichtigen Sicherheitsschild für das Produkt.

Schnelle Umwandlung von Strahlung in Elektrizität – Alle Radioisotope sind bekannt dafür, große Wärmemengen zu produzieren. Die strategische Platzierung der Quelle zwischen den DNV-Einheiten erleichtert inelastische Streuung aufgrund der Anwesenheit von SCD in der DNV-Einheit. Dieses Design verhindert Selbstabsorption von Wärme durch das Radioisotop und ermöglicht schnelle Umwandlung in nutzbare Elektrizität.

Dünnschichtstruktur – Das Dünnschichtprofil der NDB ermöglicht Strahlungsabsorption im SCD mit minimaler Selbstabsorption. Aufgrund seines flexiblen Designs kann diese Technologie jede Form und Gestalt gemäß der Anwendung annehmen. NDB kann so groß gemacht werden, wie die Anwendung erfordert, wobei die Mindestgröße 40 µm beträgt.

Nuklearer Recyclingprozess – Radioaktiver Abfall wird wiederaufbereitet und recycelt, um Nachhaltigkeit zu ermöglichen und eine saubere Energiequelle in einer sicheren Umgebung zu fördern.

Sicherheitsmerkmale

Wesentliche Innovationen der NDB sind raffinierte Sicherheitsmerkmale, die thermische, mechanische und Strahlungssicherheit abdecken.

Diamant-Einkapselung – Strahlungssicherheit wird durch die Einkapselung des DNV mit einem Diamant-Einkapsel erreicht, der die Strahlung im Gerät enthält. Die DNV-Stacks zusammen mit der Quelle sind mit einer Schicht polykristallinem Diamant beschichtet, der als das thermisch leitfähigste Material bekannt ist und die Fähigkeit hat, die Strahlung im Gerät zu enthalten. Er ist auch 12-mal zäher als Edelstahl, was die Batterie robust und manipulationssicher macht.

Die Nanoloeschichten bestehen aus Chrom und Blei in einer „Loch-und-Kappe“-Struktur, die Strahlung vom DNV einfängt. Das Loch fungiert als thermischer Leitungskanal, der Wärme zum äußeren Teil des Einkapsels leitet. Während die Kappe die Strahlung auffängt, die aus dem in die Diamant-Einkapsel-Komponente der NDB eingebauten Loch kommt, kann sie sowohl Sekundär- als auch Primärstrahlung nahe an Hintergrundstrahlungswerte absorbieren und enthalten.

Integrierte thermische Entlüftungen – Die hochenergetische Quelle im Batteriesystem produziert Wärme während des Betriebs. Dies führt zu thermischer Leitung im System. Thermische Entlüftungen im System helfen, diesen Prozess in Bezug auf die äußere Oberfläche des Diamanten zu leiten, um das Innere auf einem optimalen Niveau zu halten.

Bor-dotierter SCD – Um jeden Aspekt im System zu nutzen, integriert NDB – zusätzlich zu Alpha und Beta – auch die Nutzung von Neutronenstrahlung mit Bor-10-Dotierung. Dotierung hilft, die zusätzlichen Neutronen in Alphastrahlung umzuwandeln.

Lock-In-System – Die Nutzung einer nuklearen Energiequelle für ein Batteriesystem wirft die Frage der nuklearen Proliferation aufgrund der Produktion spaltbarer Isotope wie Pu-238 und U-232 auf. Um dieses Problem anzugehen, nutzt NDB einen Ionenimplantationsmechanismus, genannt „Lock-In-System“, der jede Nutzung außer Stromerzeugung verhindert. Dies erhöht die Verwendbarkeit, indem es Verbrauchersicherheitsanforderungen erfüllt.

Anwendungen

Automobil – Elektrofahrzeuge wurden von verschiedenen Regierungen stark gefördert und sind in den letzten Jahren eines der am schnellsten wachsenden Felder. Natürlich wurde auch seine Schlüsselkomponente – die Batterie, die das Fahrzeug antreibt – stark entwickelt. Als Batterielösung versorgt NDB die traditionellen Aspekte des Autos sowie die Motoren. Was vielleicht am interessantesten ist: Innovationen wie Head-up-Displays, Augmented Reality, autonomes Fahren und bordeigenes KI könnten ebenfalls mit NDB unterstützt werden.

NDB könnte tagsüber das Auto antreiben; nachts, wenn das Auto geparkt ist, könnte das NDB-betriebene EV in ein Haus eingesteckt werden, wo die erzeugte Ladung dann das Haus und jedes Überschuss an das Netz verkauft werden könnte. Das bedeutet effektiv, dass das nationale Netz Strom crowdsourced, was die gestiegene Stromnachfrage lindert, die mit der erhöhten EV-Adoptionsrate einhergeht.

Luft- und Raumfahrt – Der Luftfahrtmarkt ist riesig und viele technologische Fortschritte kommen aus der digitalen Revolution. Einige Beispiele für NDBs Einsatz sind die Sicherung essentieller Energie für Bereiche wie das Cockpit zur Verbesserung der Flugsicherheit und die Stromversorgung der Black Box zur Unterstützung der Bergung vermisster Flugzeuge. Die Black Box sendet periodisch ein Signal aus, um ihren Standort zu übertragen; die Verfügbarkeit des Signals basiert jedoch auf der Batterie, die sie antreibt. Derzeit beschränkt die Begrenzung der Batterieladung der Black Box die Suchzeit, da das Ortungssignal nicht mehr verfügbar ist, sobald die Batterieladung aufgebraucht ist. NDB wird in der Lage sein, die Batterielebensdauer der Black Box zu erhöhen, was der Suchmannschaft eine größere Chance auf Bergung gibt.

Jüngste Fortschritte in der Weltraumtechnik und der Aufstieg elektrischer Flugzeuge haben zu steigendem Bedarf an ihren Batteriesystemen geführt, behindert durch Bedenken hinsichtlich Langlebigkeit und Sicherheit. Satelliten und Weltraumfahrzeuge sind stark auf Solarenergie angewiesen, die durch harte Weltraumumgebungen gestört werden kann. NDB kann genutzt werden, um Drohnen, elektrische Flugzeuge, Satelliten, Weltraumrover, Weltraumanzüge und Stationen zu versorgen, während längere Aktivität ermöglicht wird.

Medizintechnik – In-situ-Medizingeräte und Implantate wie Hörgeräte und Herzschrittmacher können von langer Batterielebensdauer in kleinerer Verpackung mit dem zusätzlichen Sicherheitsvorteil profitieren. Mit NDB müssen sich Patienten nicht mehr um das Aufladen eines Herzschrittmachers sorgen aufgrund seiner langen Halbwertszeit. Da NDB eine Schicht nativen Strahlungsabsorbers in seine Struktur integriert hat, verhindert es Strahlungsleckage von implantierbaren Geräten.

Industrie – NDBs Sicherheit, Leistungsausgabe und Universalität liefern Energie für viele Routineanwendungen und solche, die schwer umzusetzen sind. Rechenzentren, abgelegene Standorte und feindliche Umgebungsanwendungen von NDB machen es zu einem herausragenden Versprechen für Produktivität und zukunftsweisende Anwendungen.

Ein Manko des Internet of Things (IoT) liegt in den physischen Geräten selbst. Da jede Funktion (wie Beleuchtung) Sensoren und Wi-Fi-Konnektivitätsempfänger benötigen wird, werden sie zwangsläufig Elektrizität benötigen. Traditionell wurde dies durch den Einsatz von Batterien und direkter elektrischer Verkabelung befriedigt, aber in beiden Fällen gibt es Limitationen – Batterien werden leer und Kabel erfordern einen Elektriker für die Installation, was unpraktisch sein könnte. Wenn eine NDB verwendet würde, wären die IoT-Geräte vollständig drahtlos und könnten überall platziert werden, ohne sich um Batterieentleerung sorgen zu müssen.

Fazit

NDB ist grün, da es keine Emissionen hat, umweltinert ist und kein Kobaltabbau erfordert. NDB ist eine energiedichtere, längerlebige, wetterunabhängige Alternative zu traditionellen Energiequellen. Die zusätzlichen Werte sind das Fehlen schädlicher Nebenprodukte und das Recycling von Nuklearabfall.

Die Technologie hat das Potenzial, andere Energiequellen wie Benzin und Lithium-Ionen-Batterien zu ersetzen, und ihre negativen Umweltauswirkungen durch Emissionen und giftige Metallabfallprodukte zu reduzieren.

Ein weiterer Trend ist der Kobaltmangel, eine entscheidende Komponente von Li-Ion-Batterien. Da die NDB kein Kobalt enthält, ist sie eine Lösung, die nicht von der Lieferknappheit ihres Rohmaterials betroffen ist.

Schließlich ist einer der wichtigsten aktuellen Trends der plötzliche Anstieg der Nachfrage nach Elektrofahrzeugen. Regierungen weltweit arbeiten darauf hin, fossile Kraftstofffahrzeuge auf Elektrofahrzeuge umzustellen – ein Markt, der eine natürliche Passform für NDBs ist.

Dieser Artikel wurde von Dr. Nima Golsharifi, Chief Executive Officer von NDB (San Francisco, CA), beigetragen. Für weitere Informationen besuchen Sie hier.