Hans Joachim Pabst von Ohain (* 14. Dezember 1911 in Dessau; † 13. März 1998 in Melbourne, Florida) war ein deutsch-amerikanischer Physiker und Erfinder. Er ist neben Frank Whittle der Erfinder des Strahltriebwerks, im Volksmund auch Düsentriebwerk genannt.

汉弗里·戴维爵士，第一代从男爵（英语：Sir Humphry Davy, 1st Baronet，1778年12月17日—1829年5月29日），英国化学家。是发现化学元素最多的人，被誉为“无机化学之父”。

Sir Humphry Davy, 1. Baronet (mitunter falsch „Humphrey“ geschrieben; * 17. Dezember 1778 in Penzance, Cornwall, England; † 29. Mai 1829 in Genf) war ein englischer Chemiker und ist unter anderem bekannt für die Entdeckung der schmerzlindernden Wirkung von Lachgas. Von 1802 bis 1812 wirkte er als Professor für Chemie an der Royal Institution in London. Davy erkannte Chlor als eigenständiges Element und damit, dass Wasserstoff, nicht Sauerstoff, Säuren ihre speziellen chemischen Eigenschaften verleiht. Durch Elektrolyse geschmolzener Alkalien gelang es ihm erstmals, die Elemente Natrium, Kalium, Barium, Strontium, Calcium und Magnesium darzustellen. Er gehört damit zu den Wegbereitern der modernen Elektrochemie. Er experimentierte mit glühenden elektrischen Drähten und gilt als Erfinder der Bogenlampe.

汉斯·克里斯蒂安·奥斯特（丹麦语：Hans Christian Ørsted，1777年8月14日—1851年3月9日），丹麦物理学家、化学家和文学家。在物理学领域，他首先发现载流导线的电流对邻近的磁针会产生作用力，使磁针偏转，从而得知电流会产生磁场效应，发现了电学与磁学的关联。在化学领域，他发现了铝元素。十九世纪后期，在科学方面的后康德哲学和演进，由于他的写作而更见雏形。他创建了“思想实验”这名词，他也是第一位明确地描述思想实验的现代思想家^[1]。

Hans Christian Ørsted, deutsch Hans Christian Oersted [ˈœrsdɛð] (* 14. August 1777 in Rudkøbing; † 9. März 1851 in Kopenhagen) war ein dänischer Physiker, Chemiker und Naturphilosoph. 1820 entdeckte Ørsted die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes und gilt als Mitbegründer der Elektrizitätslehre und Elektrotechnik. Ørsted war 1829 maßgeblich beteiligt an der Gründung der Polytechnischen Lehranstalt (dänisch Den Polytekniske Læreanstalt) in Kopenhagen, dem Vorgänger der heutigen Technischen Universität Dänemarks. Seit der Eröffnung war er bis zu seinem Tod Rektor der Schule. Er gilt als eine der führenden Persönlichkeiten des Goldenen Zeitalters Dänemarks.

汉斯·斯佩曼（德语：Hans Spemann，1869年6月27日—1941年9月9日）是一位德国生物学家，动物胚胎“组织者”的发现者。

斯佩曼早年利用婴儿头发进行蝾螈卵的结扎实验，证明早期胚胎的各个细胞核在发育能力上没有差别；以后他和他的学生又利用所建立的方法进行一系列试验，发现两栖类原肠胚的被唇能起“组织者”的作用，除去自身向一定方向分化外，还能诱导邻近的外胚层细胞分化为神经组织，共同形成由脊索、肌肉、神经管组成的中轴构造。

这个发现在实验胚胎学上开辟一个新的途径，并且诱导的概念已渗入生物学的其他领域；1935年获得诺贝尔生理学与医学奖。当时此现象称为“组织者效应”（organiser effect），现在则称为胚胎诱导（embryonic induction）现象。

Hans Spemann (* 27. Juni 1869 in Stuttgart; † 12. September 1941 in Freiburg im Breisgau) war ein deutscher Mediziner und Zoologe. Er erhielt 1935 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für seine Arbeiten über den von ihm und seiner Doktorandin Hilde Mangold (1898–1924) entdeckten „Organisator-Effekt bei der Embryonalentwicklung“.

航海工程（英语：Marine engineering），包括轮机的生产、制造、使用、管理与维修等，是一个复杂的系统。

Die Meerestechnik (engl. Marine Technology) umfasst alle Verfahren und Fähigkeiten zur Umsetzung moderner naturwissenschaftlicher Erkenntnisse für die Produktion industrieller Erzeugnisse, die die Erforschung und wirtschaftliche Nutzung der Meere fördern und sichern. Dazu gehören

• Schiffstechnik, darunter die Konstruktion von bemannten und unbemannten Unterwasserfahrzeugen
• Maritime Leit- und Sicherheitstechnik incl. Teilgebieten von Navigation und Hydrografie
• Meeresforschungstechnik, besonders die Entwicklung von Messtechniken und -geräten der Meereskunde (Ozeanografie)
• Offshore- und Unterwassertechnik vor allem zur Erdgas- und Erdölgewinnung, aber auch in Offshore-Windparks
• Polartechnik zur Eisfreimachung von Schiffswegen
• Küstenzonenmanagement und Küstenschutz, z. B. durch Wasserbau
• Umwelttechnik im Zusammenhang mit der Rohstoffförderung aus den Meeren und in den Polargebieten

航空航天工程学（英语：aerospace engineering）是航空工程学和航天工程学的总称，涉及航空飞行器与航天飞行器有关的工程领域。它包含固体力学、流体力学（特别是空气动力学）、航天动力学、天体力学、热力学、导航、航空电子、自动控制、电机工程学、机械工程、通信工程、材料科学和制造等领域。

Die Luft- und Raumfahrttechnik als Teil der Ingenieurwissenschaften und Verkehrstechnik befasst sich mit der Entwicklung und dem Betrieb bzw. Unterhalt von Flugzeugen, Flugkörpern, Raumfahrzeugen und Satelliten. Diese Systeme werden unter Berücksichtigung der technischen, wissenschaftlichen und ökologischen Aspekte weiterentwickelt.

Dabei wird eine möglichst günstige Verknüpfung (Integration) von Komponenten und Teilsystemen angestrebt. Diese Integration erstreckt sich z. B. auf

• den strukturellen Aufbau eines möglichst leichten Fluggeräts
• die günstigste aerodynamische Form
• Triebwerke und deren Untersysteme
• Systeme für Energieversorgung, Steuerung, Datenübertragung und Kommunikation
• Untersysteme der Grundausrüstung, die Funktion und Sicherheit gewährleisten
• die Einsatz- sowie Nutzausrüstung (unterschiedlich je nach Art und Aufgabe des Systems)

Je nach Einsatzprofil können weitere Anforderungen hinzukommen, z. B. in thermischer Hinsicht oder um den Bedingungen des Weltraums widerstehen zu können.

航天工程（英语：astronautical engineering，或cosmonautics engineering），工程学的理论与实做领域之一，主题在研究在地球大气层之外的航行技术，也就是研究航天科技的学科。人造卫星与各种运载工具的设计与制作就是这个领域的课题之一。

航天工程需要面对在太空的高度真空、强力辐射线、在近地轨道的地磁效应等严苛的环境。

Der Begriff Astronautik (englisch astronautics) oder Kosmonautik (russisch космонавтика) umschließt die Fachgebiete jener Wissenschaften, die die Voraussetzung erfolgreicher Raumfahrt und der Erforschung der Hochatmosphäre sind.

Zu diesen Raumfahrtwissenschaften, Astronautical Sciences zählt vor allem die Technik der Raumfahrzeuge (Raumfahrttechnik, Astronautical engineering), insbesondere des Maschinenbaus und der Materialwissenschaften, sowie die Bahnbestimmung von Himmelskörpern und Teile der Astrophysik und Planetologie. Aus technischer Sicht befasst sich die Astronautik mit Konstruktion, Bau und Betrieb von Raketen und ihren Nutzlasten (Satelliten, Raumsonden und zugehörige Instrumente) und der Planung des Ablauf der Raumfahrtmissionen. Sie kann auch als Überbegriff der Raketen- und Satellitentechnik verstanden werden. Bedeutender wissenschaftlicher Ableger ist aber beispielsweise auch die Raumfahrtmedizin, also die Untersuchung des Menschen unter den Bedingungen, die die Raumfahrt mit sich bringt.

Nuclear Battery

The public is familiar with nuclear energy in nuclear power plants but not in batteries. Nuclear batteries are in fact closer to nuclear power plants than traditional batteries in that they use radioactivity to generate power instead of storing an amount of charge. When compared to chemical batteries, nuclear batteries are characterized by higher volumetric energy density (therefore longer battery life) and stronger endurance in harsh conditions. This report will explore the present state of nuclear battery technology and recently discovered possible breakthroughs.

Applications

Space exploration poses unique challenges that are not faced when working with electronics on Earth. It is impossible or extremely costly to access a device once it has been launched into the space. Because only a small percentage of sunlight reaches the outer perimeter of the solar system compared to the orbit of Earth, solar energy is not a practical solution to powering electronic equipments when exploring the outer planets. NASA uses a specific type of nuclear battery technology called Radioactive Thermoelectric Generator (RTG) to power their spacecrafts in missions that last over 10 years.

Implantable medical devices (IMDs) also utilize the unique characteristics of nuclear batteries. Just like in spacecrafts, batteries used to power IMDs must function reliably over a long period of time without being accessed for recharge or maintenance. Unlike in spacecrafts, however, batteries used in IMDs must be limited in size and radioactivity. Hence, a different nuclear battery technology called betavoltaic cell is used in IMDs. Although the technology was invented and widely used for patients in the 1970s, the potential risk of radiation convinced the medical industry to shift to lithium ion batteries in the 1980s. Only with the recent advancement in safety of nuclear batteries, the option with a considerable advantage in battery life is being reconsidered.

The United States Department of Defense requires that every missile and aircraft be equipped with an anti-tamper protection such that the technology cannot be reverse-engineered by others. Because a single instance of battery malfunction can wipe the memory circuit's configuration, batteries used in anti-tamper system must withstand temperatures between -65 and +150 degrees Celsius, high-frequency vibrations, and high humidity. [1] Lockheed Martin Missiles and Fire Control, therefore, uses nuclear batteries to power the anti-tamper system under harsh conditions and prolonged usage. [1]

Radioactive Thermoelectric Generator (RTG)

Radioactive Thermoelectric Generator uses heat generated spontaneously from radioactive substances. The technology requires a large space to capture escaping heat inside semiconductors effectively. The shortcomings of RTG technology are its poor efficiency of 6%, its low power density, and its large size. [2]

NASA calls their technology Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG), and in 2016, NASA announced the next generation Enhanced Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (eMMRTG). As Fig. 1 illustrates, eMMRTG improves the original MMRTG with a new thermoelectric technology called Thermoelectric Couple Assembly. eMMRTG's improved efficiency will also help NASA save plutonium which is in extreme shortage in the United States.

Betavoltaic Cells

Betavoltaic cells, also known as betavoltaic devices, are a nuclear battery technology used in small devices that cannot use Radioactive Thermoelectric Generators. Betavoltaic cells utilize beta-decay of isotopes such as tritium. Tritium is a byproduct of nuclear power plants, so manufacturing betavoltaic cells with tritium is an excellent way to turn nuclear wastes into useful goods. [3] The shortcoming of betavoltaic cells in, comparison to chemical batteries, is the low power output. According to Jonathane Greene, the CEO of Widetronix which manufactures betavoltaic cells, a package that is one centimeter-squared wide and two-tenths of a centimeter tall generates one microwatt of power. [1] In comparison, a smartphone using 50% CPU, Wi-Fi connection, and white display will use 1857 mW, so a nuclear battery is not suitable for consumer electronics. [4]

Aqueous Nuclear Battery

Baek Hyun Kim and Jae Won Kwon at University of Missouri published a paper in 2014 proposing one possible next generation nuclear battery technology. Aqueous Nuclear Battery, which is also known as water-based nuclear battery, uses liquid medium for radiolysis, absorbing the kinetic energy of beta particles which is lost in betavoltaic cells. In Kim and Kwon's design using nanoporous titanium dioxide semiconductors coated in platinum, a high efficiency of 53.88% was reached at a potential of 0.9 volts. [5] Using an aqueous solution for radiolytic energy conversion results in higher energy level and lower temperature than using a solid state material does.

Diamond Nuclear Battery

The University of Bristol posted a press release in 2016 introducing another possible next generation nuclear battery technology using carbon isotopes in the form of diamonds. Nuclear power generation produces radioactive waste that cannot be easily disposed. In United Kingdom alone, 95,000 tons of radioactive C-14 are deposited and decaying. Researchers at the University of Bristol discovered a way to heat and gasify the radioactive C-14 concentration on the surface of deposited nuclear graphite wastes, and condense the gas into artificial diamonds. A man-made diamond generates an electric current when placed in a radiation field, and a diamond made of C-14 produces a radioactive field spontaneously. Hence, the diamond battery can create a constant electric current as long as it remains radioactive. Although C-14 can deliver only 15 joules per gram (compared to 700 joules per gram of standard alkaline battery), the C-14 diamond battery can generate power for 7746 years before reaching 50% charge (compared to a single day usage of standard alkaline battery). The C-14 diamond can be encapsulated in a non-radioactive diamond shell which will block all radiation and protect the battery under harsh conditions. [6] The resulting battery is made of the hardest material on Earth, so the industry might finally overcome the psychological resistance of sensitive clients such as patients using IMDs.

Conclusion

Nuclear batteries remain impractically expensive and slow to power consumer products. Furthermore, an essential ingredient of nuclear batteries is the waste from nuclear power plants, so the nuclear battery industry depends on that of the nuclear power plant. However, new technologies that allow for smaller, safer, more efficient, and longer-lasting nuclear batteries suggest a bright future for nuclear battery products in above-stated niche markets. When the cost of manufacturing nuclear batteries decreases, low-power internet-of-things devices could also be powered cord-free for thousands of years with a single charge using this revolutionary technology one day.

© Junwon Park. The author grants permission to copy, distribute and display this work in unaltered form, with attribution to the author, for noncommercial purposes only. All other rights, including commercial rights, are reserved to the author.

References

[1] K. Bourzac, "A 25-Year Battery," Technology Review, 17 Nov 09.

[2] M. A. Prelas et al., "A Review of Nuclear Batteries," Prog. Nucl. Energ., 75, 117 (2014).

[3] V. M. Efremenkov, "Radioactive Waste Management at Nuclear Power Plants," IAEA Bulletin, March 1989, p. 37.

[4] B. A. Naik and R. K. Chavan, "Optimization of Power Usage of Smartphones," Int. J. Comput. Appl. 119, 7 (2015).

[5] B.H. Kim and J. W. Kwon, "Plasmon-Assisted Radiolytic Energy Conversion in Aqueous Solutions," Sci. Rep. 4, 5249 (2014).

[6] D.T. Connor, P. G. Martin, T. B. Scott, "Airborne Radiation Mapping: Overview and Application of Current and Future Aerial Systems," Int. J. Remote Sens. 37, 5953 (2016).