DARPA启动放射性伏特电池设计竞赛
摘要
美国国防先进研究计划局选定七个团队，开展放射性伏特电池设计竞赛，旨在为深海和太空等极端环境提供无需维护的可靠电源。项目聚焦于利用半导体直接将辐射能转换为电能，探索新型放射源与耐辐射材料，以突破现有核能电池功率与寿命的限制，并实现可扩展的高功率阵列。
美国国防先进研究计划局（DARPA）已为其“Rads to Watts”计划选定了七个团队，开启了一场设计放射性伏特电池的竞赛，这种电池能够为深海和太空等极端环境提供电力。
这些团队目前正致力于开发单元电池，即证明其设计理念可行的简单演示装置。预计这些装置功率较低，但能够扩展为更高功率的阵列。
由于任务应用几乎或根本无法进行维护，高可靠性是关键。
DARPA国防科学办公室项目经理Tabitha Dodson表示：“我相信‘Rads to Watts’项目正在进行的工作，不仅能创造出以可运输形式提供千瓦级阵列规模放射性伏特电池核能的能力，还可能为更广泛的领域带来抗辐射加固能力，包括太阳能、核能和能量束。”
项目负责人分别来自Arizona州立大学、Avalanche Energy、BWX Technologies、City Labs、Morgan州立大学、Missouri大学和北卡罗来纳大学教堂山分校。
放射性伏特电池：设计核能电池有多种方法，但最成熟的技术是使用热电转换，即利用放射源产生的辐射来产生热量，然后用热量驱动涡轮机发电。
“Rads to Watts”项目专注于开发一种跳过中间步骤的方法，使用半导体换能器将放射性衰变产生的能量直接转换为电能，这种方法通常效率更高。该过程类似于太阳能电池板中的光伏电池将来自太阳的光子转换为电能。
虽然这个想法并不新鲜——可以追溯到放射性被发现后不久——但需要进行研究以找出如何大规模实现它。现有的核能电池设计需要在运行寿命和设备功率之间进行权衡。
北卡罗来纳大学教堂山分校教授、入选项目之一的负责人Jinsong Huang说：“目标是超越许多放射性伏特电池设备典型的极低功率水平，为小型电子设备或传感器展示实际有用的功率。在真实辐射条件下展示一种能产生有用功率的设备，将是迈向实用放射性伏特电池能量收集的重要一步。”
这七个项目专注于放射性伏特电池系统的不同方面，有些更侧重于放射源，有些则探索新材料。有几个项目正寻求将许多非常薄的器件组合在一起，其厚度约为一根头发丝甚至更薄。
Morgan州立大学教授Michael Spencer表示，这可以提高辐射耐受性。例如，对一个由20个5微米厚器件组成的堆叠中的一个器件造成的损伤，比对由10个10微米厚器件组成的堆叠中的一个器件造成的损伤，对单元电池的影响更小。两者总厚度均为100微米，但更薄器件的堆叠将辐射损伤限制在更小的区域。
Dodson说：“脱颖而出的执行者在器件层面拥有最具创新性的抗辐射加固伏特电池设计理念——不仅在电荷产生区域（这通常是伏特电池抗辐射加固工作的重点），还包括多层结构及其界面。器件层面的解决方案对于将性能大幅提升至超越当今最先进水平至关重要。我们的执行者提出了超越太空或低注量辐射加固常规做法的创造性解决方案，这让我感到惊讶和印象深刻。”
放射源创新：对于City Labs和Morgan州立大学而言，关键的设计创新都在放射源方面进行。
在“Rads to Watts”团队中，City Labs独树一帜，已经拥有商用核能电池，并且正寻求改进该设计。该公司销售由困在金属氢化物基质中的氚发射的β粒子驱动的电池。
对于“Rads to Watts”项目，该公司将探索一类新型氚金属氢化物材料，相信这种材料能将更多氚封装到基质中，从而提高放射源的功率密度，同时保持较低的材料密度，使β辐射能够轻易逸出。
City Labs首席执行官Peter Cabauy说：“像这样的计划鼓励团队承担雄心勃勃的挑战，从而带来下一代进步。对我们来说，这意味着最终去追求一类我们坚信多年、但现在凭借这一关键机构支持才得以开发的新材料。”
他还表示，该设计可直接应用于先进医疗设备，例如促进制造可通过导管而非开放手术植入的心脏起搏器。
在Morgan州立大学，Spencer正在研究一种不同的β发射体：锶-90。
他说：“最近人们认识到一点，而像我这样制造器件的人过去普遍未意识到的是，锶衰变成钇，然后钇会快速衰变。它们倾向于同步，因此每次锶衰变，你也会得到一次钇衰变，因为其半衰期确实非常短，这样你就得到了两个高能电子。”
Spencer正在进行一项实验，以探索第二个电子的吸收情况，该电子的能量大约是第一个电子的四倍，因此最终传播得更远，被相邻的单元电池吸收。
材料创新：许多半导体已被探索用于放射性伏特电池。该材料必须能够吸收辐射，而这一过程会对许多材料造成损伤。
Arizona州立大学教授Mariana Bertoni表示，她的项目旨在挑战半导体材料科学中一个长期存在的假设。传统上，结构无序与性能下降相关，但Bertoni说，她认为这可以转化为优势。
她说：“我们的工作反而研究特定形式的原子尺度无序如何使材料更耐辐射，同时保持甚至增强其电子特性。如果成功，这将为弹性电子材料建立一种根本不同的设计策略。”
Avalanche公司的物理学家兼材料科学负责人Daniel Velázquez表示，该公司的项目专注于α发射体的吸收。该公司是一家聚变能源初创企业，表示其目标是将通过“Rads to Watts”项目开发的技术用于支持其聚变机器概念中的直接能量转换。
Avalanche的单元电池设计使用液态金属换能器，Velázquez表示，这有望改善载流子产生，同时通过最大限度地减少与半导体的直接辐射相互作用来减少辐射损伤。
Velázquez说，Avalanche最初将针对钋-210源进行设计，其半衰期仅为138天，但“底层器件架构旨在与持续数月至数年的长寿命放射性同位素电源系统兼容。”
BWXT的项目也专注于α发射体，其具体目标是提高深空任务中钚-238提取的功率。BWXT首席技术官兼Michigan大学教授Justin Kasper表示，该项目将测试一类最近在Johns Hopkins大学应用物理实验室发现的高耐辐射半导体，并且该设计将整合BWXT开发的一项技术，即将放射性同位素薄层直接沉积到半导体上。
他说：“当每个α粒子在半导体中停止时，它将释放出数千个电子-空穴对，直接产生电流。预计这将把α粒子超过20%的动能转化为电能。我们第一次将高活度放射性同位素应用到半导体上并产生电力的时刻，将非常令人兴奋。”
北卡罗来纳大学的Huang说，他项目的一个独特之处是使用了一类称为卤化物钙钛矿的材料，这是一种晶体半导体，他说这种材料结合了强辐射吸收、高效电荷产生、长载流子传输长度和低温器件制造等特性。
他说：“这些特性可以制造出紧凑、轻便的辐射能转换器，其比功率高于传统半导体方法。对于这种应用，这些材料在所有半导体中制造成本最低。”
领导其中一个项目的Missouri大学教授John Gahl拒绝对此报道发表评论，但根据Toledo大学的一份公告，他的合作者Raghav Khanna表示，他们的团队正在寻求一种使用氧化镓作为半导体的设计，他说这种材料具有高辐射耐受性。
“Rads to Watts”项目的后续步骤：该计划将运行长达30个月，但在第15个月和第24个月的评估将决定一个筛选过程，以确定团队是否能进入系统阶段，届时他们将使用堆叠或阵列形式来开发高功率系统。辐射测试下的性能将是关键，DARPA为特定注量水平下允许的性能衰减量设定了阈值。