Представьте себе миниатюрную батарею, которая никогда не требует подзарядки и разряжается только через десятилетие использования. Ядерные батареи могут сделать это возможным. Совсем не похожие на традиционные системы, которыми мы пользуемся каждый день, эти устройства, являющиеся предметом исследований уже несколько десятилетий, вырабатывают электричество за счет распада радиоактивных материалов. Недавно группа китайских исследователей разработала новый вид ядерной батареи, генерирующей электричество за счет радиоактивного распада америция. Считается, что она беспрецедентно эффективна и безопасна.
С 1930-х годов ученые всерьез рассматривают возможность создания миниатюрных ядерных батарей, но их масштабное применение остается сложной задачей. По словам исследователей, мощность таких систем обычно находится в диапазоне нановатт или микроватт. Несмотря на это, миниатюрные ядерные батареи находят применение в самых разных областях. Они неоценимы в космических технологиях, особенно для дальних полетов, где традиционные источники энергии недостаточны. Они также используются в медицине, для некоторых видов имплантатов.
Одним из главных преимуществ таких устройств является их долговечность, которая зачастую составляет несколько десятилетий. Это зависит от типа используемого радиоизотопа, период полураспада некоторых из них составляет несколько тысяч лет. Кроме того, на их работу не влияют внешние условия окружающей среды, такие как давление или температура. По этим причинам многие ученые активизируют свои усилия, чтобы более эффективно использовать эту форму хранения энергии. Последнее крупное исследование, опубликованное в журнале Nature, пришло из Китая. Исследователи из Университета Шучоу разработали новый тип ядерной батареи, которая гораздо эффективнее своих предшественников.
Ядерные отходы как источник энергии
В основе новой батареи лежит америций 243 (Am-243) — высокорадиоактивный металл, который образуется в результате ядерных реакций в реакторах и обычно считается ядерными отходами. Am-243 испускает альфа-частицы, которые, благодаря своей относительно большой массе, несут в себе большое количество энергии. Однако эта энергия, которую исследователи пытаются использовать, очень быстро рассеивается в природе.
Поэтому команда включила америций в полимерный кристалл. Этот материал поглощает энергию, излучаемую частицами, и преобразует ее в свет в виде зеленого свечения. Затем этот свет направляется на тонкий фотоэлектрический элемент для преобразования в электричество. Вся система заключена в кварцевую ячейку размером один миллиметр на один миллиметр.
Вверху — обзор ядерной батареи, разработанной исследователями из университета Шучоу. Ниже — та же батарея, когда она преобразует энергию в зеленый свет (в темном помещении).
Это стало серьезной проблемой для исследователей. В других типах батарей, предназначенных для использования альфа-частиц, самопоглощение усложняет конструкцию устройства. Это явление, при котором энергия, излучаемая радиоизотопом, поглощается самим материалом батареи, не преобразуясь в электричество.
Эффективная батарея, которая прослужит десятилетия
Новая ядерная батарея тестировалась в течение 200 часов. По словам исследователей, она вырабатывала стабильную энергию на протяжении всего времени использования. Более того, ее эффективность преобразования превосходила предыдущие версии. Что касается мощности, то она составила 139 микроватт на кюри (μW Ci-1).
Что касается долговечности, то эта батарея должна работать в течение нескольких десятилетий. Учитывая период полураспада Am-243 (7 380 лет), срок службы может быть еще больше, но компоненты устройства не прослужат так долго, поскольку они будут постепенно разрушаться под воздействием радиации.