ポケットに入る原子力？50年持つ電池の革新

原子力電池の技術自体は1950年代から存在していましたが、現代の電化と脱炭素化への取り組みにより、排出ガスのない電源と信頼性の高いエネルギー貯蔵源を見つける必要性が高まっています。その結果、原子力電池への注目が再び集まっています。

放射性物質の自然崩壊を利用して電流を発生させる原子力電池は、これまで電池交換が困難、あるいは不可能な宇宙探査や遠隔地での運用（北極の灯台など）に使用されてきました。例えば、火星探査車マーズ・サイエンス・ラボラトリーは、放射性崩壊による熱を熱電発電機で電気に変換する放射性同位体電源（RPS）を採用しています。しかし、ベータボルト社が開発したベータボルタイック電池は、熱ではなくベータ粒子をエネルギー源として利用する点が革新的です。

こうした長寿命の電池が一般的なデバイスに搭載されるようになる前に、いくつかの重要なトレードオフを理解しておく必要があります。ベータボルタイック電池の長い寿命は、単位質量あたりの出力が比較的低いという「出力密度」の低さと引き換えになっています。現在のベータボルタイック電池の出力密度は非常に低く、スマートフォンやノートパソコンを動かすことはできません。

これらを含むあらゆる種類の原子力電池の普及を妨げる課題として、材料の供給や、放射性物質の使用に対する心理的な抵抗感が挙げられます。しかし、この技術の背後にある物理学や材料科学は、CO₂を排出しないエネルギーの実現に向けた重要な進歩をもたらし、既存のエネルギー貯蔵技術では不十分な用途に電力を供給できる可能性があります。

ベータボルタイック電池の仕組みとは？

ベータボルタイック電池には、放射性エミッター（放出体）と半導体アブソーバー（吸収体）が含まれています。エミッター材料が自然崩壊すると、ベータ粒子（高速電子）が放出されます。これが電池内のアブソーバー材料に衝突し、半導体アブソーバー内の原子核から電子を分離させます。その結果生じる電子・正孔対の分離によってアブソーバー内に電流が発生し、電池から電力が供給される仕組みです。

ただし、このプロセスは大規模な原子力発電所のような規模ではありません。エミッターとアブソーバーは薄膜状になっており、ベータボルト社の製品のようにコインやキャンディ程度のサイズの電池の中に重ね合わされています。これは、ベータ粒子の大部分が吸収され、そのエネルギーがアブソーバーの表面付近で電気に変換されるためです。

同様のプロセスは、太陽光パネルの光起電力セルでも発生しています。太陽光パネルでは太陽からの光子が電子を弾き出して電子・正孔対を形成しますが、ベータボルタイック電池では、自然放射性崩壊によって生成されたベータ粒子がその役割を担っています。

原子力電池の課題

崩壊プロセスとベータ粒子の電気変換における物理的な制約により、これらの電池が生成する電力はマイクロワット単位と非常にわずかです。図1に示すように、ベータボルタイック電池は出力密度こそ非常に低いものの、他の種類の電池と比較して、単位質量あたりの総エネルギー量である「エネルギー密度」は極めて高くなっています。

ベータボルタイック電池のエネルギー密度が高いのは、放射性エミッターが時間をかけてゆっくりと崩壊し、長年にわたって電子を放出し続けるためです。その寿命は「半減期」によって測定されます。これは、初期のベータ粒子放出強度が半分になるまでの時間です。ベータボルタイック電池で最も一般的なエミッターの半減期は2.5年から100年です。

ワットやキロワット単位の電力を得るには、ベータボルタイック電池を非常に大規模に積み重ねる必要があります。現在の技術では、そのようなサイズの電池を製造することはコスト的に見合いません。主な理由は、エミッターが自然界に存在する物質ではないためです。この放射性物質は人工的に合成する必要があり、高出力用途のために大型電池を開発するコストは現実的ではありません。

しかし、ベータボルタイック電池はすでにペースメーカーやその他の小型デバイスで使用されてきました。近年のウェアラブル機器やスマートホームデバイスの普及に伴い、エミッターとアブソーバーの組み合わせが最適化されたことで、これまで以上に多くの応用先が期待されています。

ベータボルタイク技術を支えるエミッターとアブソーバー

長期間持続するカーボンフリーなエネルギー源の確保は極めて重要です。ベータボルタイク電池で建物全体を動かすことは難しいかもしれませんが、継続的にエネルギーを生成できる材料間の関係を理解することで、新たな可能性が拓けます。世界最大の科学情報キュレーションデータベースであるCAS Content Collection^TMを分析することで、有望な材料や研究トレンドを特定できます。

文献で最も頻繁に見られるベータ粒子エミッターは、半減期が約100年のニッケルの同位体であるニッケル63です（図2参照）。これに続くのが水素3（トリチウム）で、多くの場合、固体材料であるトリチウム化チタンとして組み込まれます。プロメチウム147も分析結果に頻繁に登場しますが、他のエミッター材料と比較すると引用数は少なく、同様の成長は見られません（図3）。

アブソーバーとして最も多く引用されているのはシリコンで、半導体デバイスにおいて最も一般的な材料です（図4参照）。太陽電池におけるシリコンの利用は、こうした電流生成アプリケーションにおける有用性と拡張性を実証しています。

その他に頻繁に引用される材料には、炭化ケイ素（SiC）、窒化ガリウム（GaN）、ヒ化ガリウム（GaAs）があります。これらの材料はバンドギャップが大きく、ベータ粒子から電気への変換効率を高めます。また、ベータ粒子放射線による劣化に対する耐性（耐放射線性）にも優れており、デバイスの寿命と安定性を向上させます。これらは、アブソーバー材料の重要な特性です。

注目すべき点として、ダイヤモンドもアブソーバー材料として研究が進んでいます。これは天然の宝石ではなく合成ダイヤモンド膜を指しますが、大きなバンドギャップと高い耐放射線性を備えているため、アブソーバーとして有効です。

分析の結果、63Ni-シリコンが最も一般的なエミッター・アブソーバーの組み合わせであることがわかりました。これらの材料以外では、エミッター・アブソーバーの組み合わせの頻度は、文献における個々のエミッターおよびアブソーバー材料の頻度と概ね一致しています。これは、研究者が現在、多くの材料の組み合わせを試行していることを示唆しています（図6参照）。

原子力電池技術の将来の応用

ベータボルタイク電池がサイズやコストの課題を管理しつつ電力密度を向上できれば、交換なしで長期間デバイスを駆動できるようになるでしょう。ベータ放射線の透過力は比較的低いため、エミッターは他の放射性物質よりも安全であり、単純な材料で遮蔽することで一般消費者向けにも適したものとなります。

英国の研究者は、核廃棄物から得られる放射性炭素14を使用したベータボルタイク電池を開発しました。彼らはエミッターとアブソーバーを別々の層にするのではなく、炭素14をダイヤモンドに埋め込むことで効率を最大化しました。これが大規模に生産されれば、放射性廃棄物の問題に対処しつつ、長期的で安定した電力を供給できる可能性があります。

もう一つの革新的な可能性は、カーボンナノチューブやナノ多孔質構造などのナノ材料を使用して、アブソーバーの表面積を増やすことです。これにより、より多くの電子・正孔対を生成・分離して強力な電流を生み出せるようになり、電池サイズを過度に大きくする必要もありません。ナノ材料による表面積の拡大は、太陽電池やリチウムイオン電池などの電気化学電池にも応用されています。

研究者がベータボルタイク電池でこの技術を確立できれば、この種のエネルギー貯蔵の応用範囲はさらに広がり、脱炭素化を支える再生可能エネルギーやエネルギー貯蔵の進歩につながる可能性があります。グリーンエネルギーの将来の機会については、当社の最新記事「急速に成長する研究トレンド」、「リチウムイオン電池リサイクルのブレークスルー」、および「グリーン水素経済」の重要な構成要素をご覧ください。

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