海洋の深部から火星の表面まで、電力線やバッテリー交換用のトラックでアクセスできない場所があります。オークリッジ国立研究所は、これらの場所が常に電力不足に直面しないように努めています。この研究所は、数年から数十年にわたり人間の介入なしに持続的に動作することを目指した核電池の開発に取り組んでいます。ブラッド・ジョンソン（Brad Johnson）はオークリッジ国立研究所の核電池イニシアチブを担当しており、多分野のチームと研究ツールを活用して、国家のニーズと世界的な課題に応える技術を開発しています。ジョンソンは、核電池が長期的な電力供給を安全に提供するための実証済みの方法であり、彼のチームはその性能と安全性をさらに向上させるために取り組んでいると述べています。
核電池技術が遠隔地の電力需要を解決する
適切な同位体を選択することで、核電池は同位体の自然放射性崩壊によって電力を生成します。これは化学反応によるものではありません。このため、安定した電力を必要とし、メンテナンスが不要な遠隔地に非常に適しています。しかし、すべての放射性同位体がこの目的に適しているわけではなく、いくつかの同位体が要件を満たしています。ジョンソンは、理想的な同位体の半減期は10年から100年の間であるべきだと指摘しています。短い半減期は使用前に材料を無駄にし、長い半減期は意味のある電力を生成するために大量の同位体を必要とします。理想的な候補同位体は、ガンマ線や中性子ではなく、アルファ粒子とベータ粒子を放出するべきです。これらの短距離粒子は、利用可能な電力に変換しやすいためです。
プルトニウム-238（Plutonium-238）は、この特性に非常に適しています。オークリッジ国立研究所は、エネルギー省のためにこの同位体を生産しており、これはNASAの契約に基づいて行われ、NASAは深宇宙ミッションでこの同位体の熱電発電機を使用しています。
「パーシビアランス」探査機の発電機は約10.6ポンドのPu-238を使用しており、予想される寿命は14年で、探査機が火星での3年間の任務を超えて長く機能することが期待されています。オークリッジ国立研究所の核電池研究は1960年代にさかのぼります。1970年代には、バッテリーのプロジェクトのために専用の建物が建設され、崩壊生成物を処理していました。研究者のシン・ワン（Hsin Wang）は、これらのシステムが時間とともにどのように劣化するかを理解するために、退役した地上用放射性同位体熱電発電機を研究しています。このユニットは1985年に建設され、オークリッジ国立研究所が生産した燃料ペレットと缶を使用しています。
ジョンソンは、この退役ユニットを、使用寿命の終了性能データを収集するための貴重な機会と呼んでいます。
未来の任務が核電池技術の発展を促進する
未来の任務は新たな工学的課題ももたらします。例えば、NASAが推進する持続的な月面活動は、2週間にわたる月の夜に直面しており、太陽光発電が現実的でなくなり、機器を温かく保つために他の方法が必要です。ジョンソンのチームは、9種類の候補同位体を特定し、そのリストを3つの主要な選択肢に絞り込みました。彼らの選択は、同位体の特性と大規模生産における実現可能性に基づいています。この生産の課題は、現在の技術と次世代核電池の間の4つの主要な障害の1つです。次に、エネルギー変換の改善が必要です。現在の熱電技術は、崩壊熱のわずか5%から8%を電力に変換しています。
これを10%から15%に引き上げることで、燃料コストを約半分に削減できます。第三に、より良い絶縁と熱管理が、システム内の無駄なエネルギーの逸散を防ぎます。第四に、電力制御と管理システムはまだ改善の余地があります。
ジョンソンは、3Dプリンティングや専用粉末材料などの先進的な製造技術が、これら4つの課題を同時に解決するのに役立つと述べています。彼はこの取り組みを「オークリッジ国立研究所の包括的な機会」と表現しています。このプログラムは、国家の長期的な電力需要を満たすために、研究所のさまざまな部門の専門知識を活用しています。