携帯電話に100年間電力を供給し続けることができるバッテリーがある

制作：中国科学普及協会

著者: 国際中性子科学研究所

プロデューサー: 中国科学博覧会

あなたも携帯電話の頻繁な充電に困っていませんか？ペースメーカーの電池を交換する定期的な手術にも困っていませんか？深海探査無人潜水艇がどのようにしてより長く活動できるかご存知ですか?火星探査車は航続距離を延ばすために特殊なバッテリーを使用していることをご存知ですか?

2021年に火星に着陸した探査車「キュリオシティ」は、多目的放射性同位元素熱電電池（MMRTG）を使用しており、上記の問題をうまく解決できます。今日はこの魔法の電池、同位体電池について紹介します。

1. 同位体とは何ですか？同位体は何ができますか？

同位体は、原子核内の陽子の数（原子番号）は同じだが、中性子の数は異なる同じ元素です。たとえば、私たちの生活によくある水素元素には、陽子（H）、重水素（D、重水素）、三重水素（T、超三重水素）の 3 つの同位体があります。これらは互いに同位体であり、同じ元素の異なる核種です。

水素、重水素、三重水素の原子構造の模式図（画像出典：著者による手描き）

これらの元素の中には非常に不安定なものもあり、自発的に粒子や放射線を放出し、一定量のエネルギーを放出して別の元素の安定した原子になることがあります。これらの元素は放射性同位元素です。放射性同位元素が放射線を放出する過程を同位体崩壊といい、放射性核種の数が元の量の半分になるまでにかかる時間を放射性同位元素の半減期といいます。たとえば、238Pu の半減期は 87.7 年です。これは、238Pu 放射性物質に 87.7 年間さらされた後でも、プルトニウム 238 の半分しか崩壊していないことを意味します。

多くの同位体は、国防科学技術における役割に加えて、私たちの日常の生産や生活においても重要な役割を果たしています。例えば、食品生産においては、同位体 60Co を使用してガンマ線を発生させ、食品を照射して殺菌することができます。医療の臨床現場では、一部の癌細胞に放射線を集中的に照射し、患者の体内で癌細胞が広がり続けるのを防ぐことができる同位元素治療法が 100 種類以上確立されています。エネルギー分野では、原子炉が電力を供給するために使用されています。

上記の用途に加えて、238Puなどの同位体の崩壊時の熱エネルギーを利用して同位体熱電電池を製造することができ、63Niの崩壊時に放出される放射線粒子を利用して放射性起電力効果同位体電池を製造することもできます。

2. 同位体電池はどのように見えますか?

ここでは、より成熟した用途を持つ 2 種類の電池、同位体熱電電池と放射性起電力効果同位体電池に焦点を当てます。

同位体熱電セル（RTG）は、熱電材料のゼーベック効果を利用して同位体の崩壊熱を電気エネルギーに直接変換する発電装置です。 RTGは、内側から外側に向かって、同位体熱源、熱電変換​​装置、放熱シェルの3つの部分で構成されています。同位体熱源から放出される熱エネルギーにより熱電材料の両端​​に温度差が生じ、熱電材料のゼーベック効果を利用して電流が発生します。特殊な素材で作られた外殻は、放射線を遮断するとともに、使われない熱エネルギーを放出することができます。

同位体熱電電池の典型的な構造（画像提供：Fenglin Nuclear Team）

放射性起電力効果同位体電池は、放射線源、半導体変換器、電極、シェル、およびその他の構造で構成されています。その動作原理は、放射線源が半導体材料と相互作用すると、イオン化励起によって電子正孔対が生成され、次に、生成されたこれらの電子正孔対が半導体の内蔵電界の作用下で電極によって分離および収集され、それによって放射線源の崩壊エネルギーが電気エネルギーに変換されるというものです。

3. 同位体電池は何ができるのでしょうか?

同位体電池には、コンパクトな構造、高い信頼性、長寿命（数十年にわたって継続的にエネルギーを供給可能）、環境への影響がない、メンテナンスが不要という共通の利点があります。したがって、長期間のメンテナンスフリー操作が必要なシナリオや、充電が困難な複雑な環境でも、廃棄されるまで使い続けることができます。同位体電池は外部干渉に抵抗する能力があり、通常の化学電池をすべて圧倒することができます。同時に、同位体電池の耐用年数は主に同位体の半減期に関係しており、最長のものは100年も使用できます。

まさに上記の利点があるからこそ、放射性同位元素電池は、実用分野において「天空の月を射止め、五大海の亀を捕らえる」という独自の能力を備えているのです。

2018年、我が国は月探査探査機「嫦娥4号」の打ち上げに成功しました。搭載された同位体熱電電池は、月面での夜間休眠中にマイナス190℃の温度でさまざまな技術要件を満たすことができました。対照的に、通常の化学電池はそのような極低温では作動しません。実際の作業過程で、月面探査車から送信されたデータにより、同位体熱電電池の加熱と電力供給が正常であることが示され、我が国初の同位体熱電電池の宇宙応用が実現しました。

太陽電池がほとんど役に立たず、燃料電池やその他の化学電池の寿命が短い深海では、同位体電池が活躍します。例えば、潜水艦の航行標識の電源として使用することができ、標識が数秒ごとに点滅し、数十年にわたって継続的に動作することを保証します。米国は、海底ケーブル中継局の電源として同位体電池を使用しており、海底5000～6000メートルの深さでも高圧下で安全かつ確実に作動することができます。

同位体電池は生物医学的用途にも使われています。例えば、ペースメーカーでは、現在一般的に使用されているリチウムヨウ素電池は電磁波の影響を受けやすく、使用者に不便をきたし、寿命は約 5 年です。医療用同位元素電池は電磁干渉の影響を受けにくく、耐用年数は約 15 年です。世界中の心臓病患者の中には、同位元素電池で動くペースメーカーを埋め込まれ、新たな命を得ている人もいる。

さらに、モノのインターネット技術の急速な発展に伴い、集積回路（IC）、センサー、低電力デバイス、その他の微小電気機械システム（MEMS）が無線通信信号に影響を与えることなく正常に熱を放散できるようにするために、これらの電子デバイスとシステムモジュールのエネルギー供給装置は徐々に小型化、長寿命化、安定化しています。同位体電池は、通常の化学電池よりもこの要件をよりよく満たすことができます。

4. 同位体電池はどの程度開発されていますか?

1961年に初めて同位体電池を宇宙に運んだアメリカ初の人工衛星「エクスプローラー1号」から、2つの同位体電池を月に運んだアポロ月探査機、そして2010年に企業が同位体電池製品の販売資格を取得するまで、数十年にわたる開発を経て、同位体電池は米国で産業化されました。

科学研究から工業化への同様の発展プロセスは、ソビエト連邦とロシアでも起こりました。しかし、我が国の同位体電池は遅れて始まり、特に同位体電池の産業化においては、まだ改善の余地が多く残っています。国家宇宙局が2018年に発表した深宇宙探査計画によれば、わが国は今後30年以内に月、火星、木星の探査を実施する予定であり、同位体電池の現地化が急務となっている。現在、国内の関連チームは同位体電池の研究開発への投資を増やしており、百花繚乱の状態だ。

同位体電池は肉眼で見える速度で急速に発展しています。将来的には、人間の日常生活のあらゆる面に大きな利便性をもたらすことができると信じています。このような同位体電池について知った後、ワクワクしますか?

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