携帯電話を充電しなくて済むなんて、最高だと思いませんか？BetaVoltという会社が、コインサイズの「原子力電池」を50年も使えるように開発したと発表した時、多くの人がそう思ったのではないでしょうか。本当にそんな話があるのでしょうか？はい、本当です。では、こんな永久電池式の携帯電話をすぐに買えるようになるのでしょうか？残念ながら、おそらく無理でしょう。理由は…まあ、物理学上の問題です。では、その理由を見ていきましょう。
すべての電池の働きは同じです。電流を発生させて何らかの仕事をします。しかし、エネルギーは無料ではありません。もしその仕事がBluetoothスピーカーで大音量で音楽を流すことだとしたら、エネルギーが減少する何かがあるはずです。古き良き単三電池では、電流を発生させるために化学反応が起こります。その化学反応は永遠に続くわけではないので、電池はいずれ消耗します。
原子力電池は、放射性物質を電源として使い、放射能がなくなるまでエナジャイザーのバニーのように動き続けます。放射能がなくなるのは永遠ではありませんが、はるかに長い期間です。実は、これは新しいものではありません。1977年に打ち上げられたボイジャー1号宇宙探査機には原子力電池が搭載されています。現在、地球から150億マイル（約240億キロメートル）以上離れていますが、まだ少し電気が残っています。これはかなり長い走行距離ですね！
ボイジャーに搭載されている特定のタイプのものは、放射性同位元素熱電発電機と呼ばれています。これは、基本的に箱の中にプルトニウムの塊が入っている装置によく使われる名称です。プルトニウムは崩壊する際に質量をエネルギーに変換し、熱を発生させます。この装置に固体デバイスを取り付けると、高温の金属と低温の金属の温度差によって電圧が発生し、電流が流れます。
温度差だけで発電できるなんて、ちょっと信じられないかもしれませんが、銅線とペーパークリップ（プルトニウムは不要）を使って、片方の端を氷水に、もう片方の端を熱湯に浸すことで、自宅で実験することができます。このタイプの電源は可動部品がないため故障することがなく、数十年も持続するため、宇宙探査機に最適です。
BetaVoltが発表したこの新しいバッテリーは、ベータボルタイック発電と呼ばれる異なる技術を採用しています。熱エネルギーを利用するのではなく、ニッケルの放射性同位体から放出されるベータ粒子と呼ばれる電子を捕捉して電気回路を形成します。このバッテリーは、半導体として機能するダイヤモンドの板の間に挟まれた複数のニッケル層で構成されています。このバッテリーには興味深い点がたくさんあるので、早速見ていきましょう。
放射性崩壊では何が起こるのでしょうか?
ニッケル63は、安定型元素であるニッケル58の同位体です。この数値は原子量、つまり原子核に含まれる陽子と中性子の総数です。ニッケル63は5個の余分な中性子を持っているため、不安定です。時間の経過とともに、余分な中性子の1つが陽子に崩壊し、新しい電子を生成します。陽子が1つ増えた原子は、周期表で次の元素である銅63になります。この核反応によってエネルギーが生成され、電子が原子から高速で放出されます。
放射性崩壊の速度は一定ではないことを知っておくことが重要です。これは物質を構成する原子の数に依存し、電子の生成量は時間の経過とともに指数関数的に減少します。ニッケル63の場合、約96年で原子の半分が崩壊します。つまり、ニッケル63の「半減期」は96年です。
イラスト: レット・アラン
もう一つ明確にしておきたいことがあります。ニッケル原子1個から電子を1個取り出したら、それで終わりです。その原子は永久に電子を放出しなくなります。その後は、ただの銅の重荷になるだけです。
それで…BetaVolt バッテリーは放射性ですか?
はい、そうです。放射性崩壊によって粒子を放出するからです。放射性崩壊は通常、アルファ、ベータ、ガンマの3種類に分類されます。これらの分類は、放出される物質の種類に基づいています。アルファ粒子はヘリウム原子の核、ベータ粒子は電子、ガンマ線は非常に高周波の電磁放射線の一種です。
しかし、必ずしも危険というわけではありません。私たちは地球上で生活しているだけで、常に自然放射線にさらされています。（念のために言っておきますが、バナナでさえわずかに放射能を帯びています。）ベータボルトバッテリーは少量の放射線しか使用しておらず、おそらく何らかの遮蔽装置が組み込まれているでしょう。さらに、ベータ線はガンマ線ほど有害ではありません。ですから、おそらく安全に使用できるでしょう。
50年も続くのか？
さあ、電気について話しましょう。まずは基本的な用語をいくつか覚えておきましょう。電流とは、回路を流れる電子の流れのことです。電流の流速はアンペアで表されます。1アンペアは、1秒間に特定の点を通過する電子の数が6.24× 10⁻18個です。わかりましたか？
ワットで測定される供給電力 ( P ) は、電流 ( I ) と電圧 ( V ) を掛けることで計算できます。1ワットは1秒あたり1ジュールのエネルギーに相当します。電力に時間 ( ∆t ) を掛けると、消費エネルギー ( ∆E ) が算出され、通常はキロワット時で測定されます。
イラスト: レット・アラン
さて、ベータボルト電池は3ボルトの電池で、公称出力は100マイクロワットです。上の式からわかるように、電力をボルトで割ると1秒あたりに流れる電流量がわかります。つまり、電流値は0.000033アンペアです。これは実に小さな値です。ちなみに、1セント硬貨を積み重ねた時の電流値の3分の1です。（ニッケル電池が1セント硬貨電池より弱いというのは、少し不公平に思えます。）
覚えておいてください、この電流はニッケル原子の崩壊によって生じる電子の流れに過ぎません。上記のアンペアの定義を用いると、0.000033アンペアは1秒あたり2.08 x 10 14 個の電子が流れることを意味します。
なぜそれが気になるのでしょうか？それは、私たちがどれだけの放射性物質を消費しているかを示しているからです。つまり、その電流を発生させるには、毎秒2.08×10 14 個のニッケル原子を銅に変換する必要があるということです。もしこの電流を50年間使用すると、34.3グラムのニッケル63を消費することになります。これは体積にして約3.8cm 3、つまり角砂糖1個分の大きさです。理にかなっているように思えます。
しかし、電流を一定に保つことはできないことを覚えておいてください。なぜなら、減衰率、つまりエネルギー生産率は時間の経過とともに指数関数的に低下するからです。つまり、小型の原子力電池は確かに50年は持ちます。しかし、その電池は非常に弱くなり、使用期間が長くなるほど弱くなります。
携帯電話に電力を供給できるでしょうか?
まあ、どうでもいいじゃないですか！ それまでにスマホを買い替えたいと思うでしょう。10年使えるスマホを目指しましょう。でも、問題があります。スマホは100マイクロワットをはるかに超える電力を必要とするのです。例えば、iPhone 13のバッテリー容量は3,240mAh（ミリアンペア時）です。これは、1時間で3.24アンペアの出力を生み出せることを意味します。バッテリーを1回充電するには、2.08×10の19乗個の電子が必要になります。これを1時間かけて使うか、1日かけて使うかに関わらず、バッテリーを使い切るのに必要な電子の数はこれだけです。
もちろん、ポケットの中に入れているときや夜間にカウンターに置いてあるときは、ほとんど電力を消費しません。しかし、ベタボルタ電池の場合はそうではありません。電流の流れはニッケル63の減衰率と、その量によってのみ決まります。つまり、常にオンの状態です。そして、最も負荷の高い作業にも電力を供給できる速度で電流を生成する必要があります。
スマートフォンは、何をしているかにもよりますが、おそらく0.5アンペアから2アンペアの間の電流を消費します。例えば、ポケモンGOをいつでもプレイできるように、10年間1.5アンペアを出力できるベタボルタ電池が欲しいとしましょう。そうなると、合計2.9 x 10の27乗個の電子が必要になり、309,000グラムのニッケル63が必要になります。そう、680ポンド（約300kg）です。念のため言っておきますが、この電池はメスのヤクと同じくらいの重さになります。実際には、減衰率は時間の経過とともに小さくなるため、もっと多くの電池が必要になります。ゲームやストリーミングをやめて、スマートフォンを基本的な用途だけに使うなら、ヤギ1頭分の電池で済むかもしれません。
はい、そうです。原子力電池は実在し、長寿命です。しかし、携帯電話の効率が大幅に向上しない限り、最新のスマートフォンに搭載されることはないでしょう。また、一般的に、電力需要が変動する用途には適していません。しかし、長寿命と低消費電力が求められる特殊な用途、例えばリモートセンサーなどは、きっと見つかるでしょう。
