원래의 내용인 핵 붕괴과정에서 발생하는 내재 에너지를 활용해 먼 곳에서도 우주선이 자원을 확보할 수 있게 되었다. 이제 과학자들은 아메리슘 핵종의 붕괴로 생성되는 알파 입자로부터 에너지를 대폭 개선하여 마이크로크기의 배터리 효율성을 크게 향상시킬 수 있다. 이 기술은 가까운 미래에 자동차 크기의 화성 탐사로버가 작동하는 데는 적합하지 않지만, 원격 센서나 심지어 페이스 메이커에 적합한 완벽한 솔루션일 수 있다.
충전 아웃렛으로부터 멀리 떨어진 곳에 무언가를 보내야 할 때는 핵전지가 필요하다. 이러한 오랫동안 작동할 수 있는 원격 전원원은 모양과 크기가 다양하며, 방사성 동위원소의 붕괴로부터 에너지를 얻는 다양한 방법을 가지고 있다. 솔라 패널에 의존하지 않는 첫 번째 화성 탐사로버인 호기심 로버는 플루토늄-238의 자연 붕괴를 이용하여 열을 생성한 다음, 탑재된 열전 도구를 통해 110 와트의 안정된 전기로 변환한다. 인상적인 성능을 보인 후, NASA는 개선 버전인 다목적 라디오이소톱 열전 변환기(Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator)의 개발을 진행했다.
이러한 배터리는 수백만 달러에 이르며, 약간의 자동차 중량만큼 우주선에 전원을 공급한다. 하지만 과학자들은 또한 수십 년간 수천 년 동안 열 또는 마이크로와트 범위로 에너지를 생성할 수 있는 마이크로핵전지 개발 방법을 연구하고 있다. 중국의 수초우대학교의 연구진은 아메리슘 이용하여 이러한 배터리의 효율성을 8,000배 향상시키는 데 성공했다. 이 연구 결과는 이번 달 초에 발표된 ‘네이처’ 저널에 실렸다. “화학 배터리와 달리 마이크로핵전지의 수명은 사용된 방사성 동위원소의 반감기와 연결되어 수십 년에 걸친 운영 수명을 갖출 수 있다,”고 연구원들은 논문에서 작성했다. “또한 이러한 방사성 붕괴는 온도, 압력 및 자기장과 같은 환경 요소에 영향받지 않으므로, 일반 배터리로 대체하기 어려운 상황에서도 지속적이고 신뢰할 수 있는 전원 공급원이 된다.”
이새롭게 개발된 기기는 마찬가지로 발광성 빛에 의존하는 반면 Mars 로버에 사용되는 열은 전기를 생성하도록 활용된다. 아메리슘은 알파 입자 형태로 에너지를 방출하며, 유명한 방사성 녹색으로 빛나는 특징을 갖는다. 이 알파 입자는 일반적으로 에너지를 빠르게 잃어버리지만, 과학자들은 이 에너지를 활용하는 방법을 찾아냈다. 이 원소를 폴리머 크리스탈에 넣은 다음, 이를 광전자 전지와 결합하여 빛을 전기로 효율적으로 변환할 수 있다. 놀랍게도 이 작은 핵전지는 미리미터 크기의 석영 셀에 안전하게 포장될 수 있다. 연구의 공동 저자인 쉬우 왕(Shuou Wang) 박사는 200 시간 동안의 테스트 후에도 이 배터리가 안정적인 에너지 공급을 제공하며 이전 장치보다 약 8,000배 효율적이라고 新 Scientist에 언급했다. 아메리슘의 반감 기간은 7,380년이지만, 장치의 다른 구성 요소는 지속적으로 방사능에 노출되므로 배터리는 그렇게 오래 살 수 없다. 그러나 연구원들은 이 장치가 수십 년 동안 전력을 공급할 수 있다고 추정하고 있다.
이러한 마이크로핵전지는 아주 작은 크기이기 때문에 한국한스이 진보된 기술로 개발되었다. 40억 개의 이런 배터리가 필요하다고 할 정도로 아주-아주 작다고 한다. 그러나 모든 전자기기가 그만큼 많은 전력이 필요하지는 않다. 중국의 스타트업인 Betavolt는 웨어러블 기기나 심지어 페이스 메이커용 전원원으로 가능성을 가진 비슷한 작은 핵전지를 개발했다. 그러나 이러한 배터리의 핵심 재료는 자연 발생하지 않기 때문에 화성 로버와 같은 대규모 작업에는 비용 부담이 크다. 그러므로 이런 마이크로핵전지는 에너지 스케일의 작은 단에서 가능한 기술 혁명으로 남을 것이다.
주요 주제와 기사 내용을 기반으로 한 FAQ 섹션입니다:
1. Q: 마이크로핵전지는 무엇인가요?
A: 마이크로핵전지는 핵분열 과정을 통해 내재되어 있는 에너지를 활용하여 작동하는 작은 배터리입니다. 온도, 압력, 자기장 등의 환경 요소에 영향을 받지 않으며, 에너지를 수십 년 동안 지속적이고 신뢰할 수 있는 전원 공급원으로 사용할 수 있습니다.
2. Q: 마이크로핵전지는 어떻게 작동하나요?
A: 마이크로핵전지는 아메리슘 핵분열로 생성된 알파 입자를 이용하여 에너지를 생성합니다. 이 알파 입자는 폴리머 크리스탈에 넣은 후 광전자 전지와 결합하여 빛을 전기로 효율적으로 변환합니다.
3. Q: 마이크로핵전지의 장점은 무엇인가요?
A: 마이크로핵전지는 수십 년 동안 사용 가능한 긴 운영 수명을 가지며, 환경 요소에 영향을 받지 않아 일반 배터리로 어려운 상황에서도 지속적이고 신뢰할 수 있는 전원 공급원입니다.
4. Q: 마이크로핵전지는 어디에 사용될 수 있나요?
A: 마이크로핵전지는 원격 센서, 페이스 메이커 등 작은 전력이 필요한 장치에 적합합니다.
5. Q: 마이크로핵전지는 어떻게 개발되었나요?
A: 중국의 수초우대학교 연구진은 아메리슘을 이용하여 마이크로핵전지의 효율성을 8,000배 향상시키는 방법을 개발하였습니다.
6. Q: 마이크로핵전지의 제약 사항은 무엇인가요?
A: 마이크로핵전지의 핵심 재료는 자연에서 발생하지 않기 때문에 대규모 작업에는 비용 부담이 크며, 장치의 다른 구성 요소는 지속적으로 방사능에 노출되어 운영 수명이 제한됩니다.
관련 링크:
– 네이처 (https://www.nature.com)
– 베타볼트 (https://betavolt.green)