البطارية الذرية

يتكون المحول الحراري الأيوني ( TEC) من قطب كهربائي ساخن، ينبعث منه إلكترونات حراريًا عبر حاجز الشحنة الفضائية إلى قطب كهربائي أبرد، مما ينتج عنه طاقة كهربائية مفيدة. يُستخدم بخار السيزيوم عادةً لتحسين وظائف عمل القطب الكهربائي وتوفير إمداد أيوني (عن طريق التأين السطحي ) لمعادلة الشحنة الفضائية للإلكترونات . ^{[ 17 ]} ومع ذلك، لا يزال هذا المحول في مرحلة تجريبية ولم يُستخدم بشكل كامل للأغراض التجارية نظرًا لانخفاض كفاءته وكثافة طاقته، وانخفاض وظيفة عمله، ومحدودية المواد المستخدمة في درجات الحرارة العالية. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

يُنتج مولد الطاقة الكهروحرارية بالنظائر المشعة ( RTG) الكهرباء عبر تأثير سيبك باستخدام المزدوجات الحرارية . ^{[ 20 ]} يتكون كل مزدوج حراري من سلكين من معدنين مختلفين (أو مواد أخرى). يُنتج تدرج درجة الحرارة على طول كل سلك تدرجًا في الجهد من أحد طرفي السلك إلى الآخر؛ ولكن المواد المختلفة تُنتج جهودًا مختلفة لكل درجة مئوية من فرق درجة الحرارة. عند توصيل السلكين من أحد طرفيهما، وتسخين ذلك الطرف مع تبريد الطرف الآخر، يتولد جهد صغير (بالمللي فولت) بين طرفي السلك غير المتصلين، وهو جهد قابل للاستخدام. عمليًا، يتم توصيل العديد من المزدوجات الحرارية على التوالي (أو على التوازي) لتوليد جهد (أو تيار) أكبر من نفس مصدر الحرارة، بينما تتدفق الحرارة من الأطراف الساخنة إلى الأطراف الباردة. تتميز المزدوجات الحرارية المعدنية بكفاءة منخفضة في تحويل الطاقة الحرارية إلى كهربائية. ومع ذلك، يمكن تعديل كثافة حاملات الشحنة والشحنة في مواد أشباه الموصلات مثل تيلوريد البزموت والسيليكون -الجرمانيوم لتحقيق كفاءات تحويل أعلى بكثير. ^{[ 21 ]} يشير أيوديل، ولوتا، وكاهن إلى الاستخدام الواسع النطاق لمولدات الطاقة الكهروحرارية (RTG) نتيجةً لـ "خلوها من المخلفات السامة، وصغر حجمها، وموثوقيتها العالية، وبساطتها، واستقلاليتها عن الموقع، وقابليتها للتوسع، وتشغيلها الصامت، وقلة صيانتها عمليًا" (أيوديل، ولوتا، وكاهن 4422). ^{[ 22 ] [ 23 ]} من ناحية أخرى، يُعد انخفاض كفاءتها أحد عيوب مولدات الطاقة الكهروحرارية. ^{[ 24 ]} على الرغم من تطويرها من قِبل وكالة ناسا، إلا أنها لا تُستخدم حاليًا لأغراض تجارية، بل في مشاريع مهمات الفضاء والدفاع. ^{[ 25 ]}

تعمل الخلايا الكهروضوئية الحرارية (TPV) وفقًا لنفس مبادئ الخلايا الكهروضوئية ، باستثناء أنها تحول الأشعة تحت الحمراء (بدلاً من الضوء المرئي ) المنبعثة من سطح ساخن إلى كهرباء. ^{[ 26 ]} ومع ذلك، لا تزال هذه التقنية في مرحلة تجريبية ولم تُستخدم بشكل كامل للأغراض التجارية نظرًا لانخفاض كفاءتها وكثافة طاقتها، وارتفاع تكلفة المواد، وعدم توافقها مع متطلبات التوسع، وطول عمرها، وموثوقيتها (Datas et al.) ^{[ 27 ].}

مولد ستيرلينغ للنظائر المشعة هو محرك ستيرلينغ يعمل بفرق درجة الحرارة الناتج عن نظير مشع. وقد كانت وكالة ناسا تعمل على تطوير نسخة أكثر كفاءة منه، وهو مولد ستيرلينغ المتقدم للنظائر المشعة ، ولكن تم إلغاء المشروع في عام 2013 بسبب تجاوزات كبيرة في التكاليف. ^{[ 28 ]}

يمكن استخلاص الطاقة من الجسيمات المشحونة المنبعثة عندما تتراكم شحنتها في موصل ، مما يُنشئ جهدًا كهرساكنًا . وبدون وجود آلية تبديد، يمكن أن يرتفع الجهد ليصل إلى طاقة الجسيمات المشعة، والتي قد تتراوح من عدة كيلوفولتات (لإشعاع بيتا) إلى ميغافولتات (لإشعاع ألفا). ويمكن تحويل الطاقة الكهروستاتيكية المتراكمة إلى كهرباء قابلة للاستخدام بإحدى الطرق التالية:

يحوّل جهاز "الراديوفولتية" (RV) طاقة الإشعاع المؤين مباشرةً إلى كهرباء باستخدام وصلة شبه موصلة ، على غرار تحويل الفوتونات إلى كهرباء في الخلية الكهروضوئية . وتُسمى هذه الأجهزة، بحسب نوع الإشعاع المستهدف، "ألفافولتية" (AV، αV) أو "بيتافولتية" (BV، βV) أو "جامافولتية" (GV، γV). وقد حظيت أجهزة بيتافولتية باهتمام كبير تقليديًا، نظرًا لأن مُشعّات بيتا (منخفضة الطاقة) تُسبب أقل قدر من الضرر الإشعاعي، مما يُتيح عمرًا تشغيليًا أطول وحاجة أقل للتدريع. أما الاهتمام بأجهزة ألفافولتية، وأجهزة جامافولتية (التي ظهرت مؤخرًا)، فيُعزى إلى كفاءتها العالية المُحتملة.

في جهاز الخلايا الكهروضوئية الإشعاعية (RPV)، يكون تحويل الطاقة غير مباشر: تُحوّل الجسيمات المنبعثة أولًا إلى ضوء باستخدام مادة مشعة (مادة وميضية أو فسفورية )، ثم يُحوّل الضوء إلى كهرباء باستخدام خلية كهروضوئية . وبحسب نوع الجسيمات المستهدفة، يمكن تحديد نوع التحويل بدقة أكبر، إما كهروضوئي ألفا (APV أو α-PV)، ^{[ 42 ]} أو كهروضوئي بيتا (BPV أو β-PV)، ^{[ 43 ]} أو كهروضوئي غاما (GPV أو γ-PV). ^{[ 44 ]}

يمكن دمج التحويل الكهروضوئي الراديوي مع التحويل الكهروضوئي الراديوي لزيادة كفاءة التحويل. ^{[ 45 ]}

طوّرت شركتا ميدترونيك وألكاتيل جهاز تنظيم ضربات القلب يعمل بالبلوتونيوم ، وهو جهاز Numec NU-5، الذي يعمل بجرعة 2.5 كوري من البلوتونيوم 238، وقد زُرع لأول مرة في مريض بشري عام 1970. من المتوقع ألا تحتاج أجهزة تنظيم ضربات القلب النووية Numec NU-5 البالغ عددها 139 جهازًا، والتي زُرعت في سبعينيات القرن الماضي، إلى استبدالها أبدًا، وهي ميزة تتفوق بها على أجهزة تنظيم ضربات القلب غير النووية، التي تتطلب استبدال بطارياتها جراحيًا كل 5 إلى 10 سنوات. من المتوقع أن تُنتج "بطاريات" البلوتونيوم طاقة كافية لتشغيل الدائرة لفترة أطول من عمر النصف للبلوتونيوم 238، الذي يبلغ 88 عامًا. ^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]} زُرعت آخر وحدة من هذه الأجهزة عام 1988، عندما أصبحت أجهزة تنظيم ضربات القلب التي تعمل بالليثيوم، والتي كان من المتوقع أن يبلغ عمرها 10 سنوات أو أكثر، دون عيوب المخاوف الإشعاعية والعقبات التنظيمية، متاحة.

تُدرس بطاريات بيتافولتية أيضاً كمصادر طاقة طويلة الأمد لأجهزة تنظيم ضربات القلب الخالية من الرصاص. ^{[ 51 ]}

في مجال الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، استكشف مهندسو الطاقة النووية في جامعة ويسكونسن-ماديسون إمكانيات إنتاج بطاريات متناهية الصغر تستغل النوى المشعة لمواد مثل البولونيوم أو الكوريوم لتوليد الطاقة الكهربائية. وكمثال على تطبيق متكامل ذاتي التشغيل، ابتكر الباحثون عارضة ناتئة متذبذبة قادرة على التذبذب بشكل دوري منتظم لفترات زمنية طويلة جدًا دون الحاجة إلى إعادة التزود بالوقود. وتُظهر الدراسات الجارية أن هذه العارضة قادرة على نقل الترددات الراديوية، مما يسمح لأجهزة MEMS بالتواصل فيما بينها لاسلكيًا.

تتميز هذه البطاريات الصغيرة بخفة وزنها وتوفر طاقة كافية للعمل كمصدر طاقة لأجهزة MEMS، بالإضافة إلى تزويد الأجهزة النانوية بالطاقة. ^{[ 52 ]}

تتحول طاقة الإشعاع المنبعثة إلى طاقة كهربائية، تقتصر على منطقة الجهاز التي تحتوي على المعالج والبطارية الصغيرة التي تزوده بالطاقة. ^{[ 53 ] : 180-181}