Если в вашем мобильном телефоне или часах неожиданно разрядилась батарея, вы поймете, насколько это неприятно. Что еще более важно, современные технологии аккумуляторов, используемые в кардиостимуляторах, означают, что для замены разряженных аккумуляторов необходимы инвазивные процедуры. Но эти разочарования могут уйти в прошлое, если новая технология ядерных батарей станет жизнеспособной.
Российские исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ), Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов (TISNCM) и Национального научно-технического университета МИСиС оптимизировали конструкцию ядерной батареи, генерирующей энергию из бета-версии. распад никеля-63, радиоактивного изотопа.
По предварительным данным, эта ядерная аккумуляторная батарея вырабатывает около 3300 милливатт-часов энергии на грамм, что больше, чем у любой другой ядерной батареи на основе никеля-63, и в 10 раз больше, чем удельная энергия коммерческих химических элементов.
Как найти аккумулятор, подходящий для работы
В обычных батареях обычно используются так называемые окислительно-восстановительные химические реакции, обеспечивающие высокую плотность мощности, то есть соотношение между мощностью генерируемого тока и объемом батареи. Однако обычные батареи имеют тенденцию разряжать это большое количество энергии за короткое время. Это делает их пригодными для автономных устройств, которые требуют относительно мощного разряда и где батареи можно легко заменить (например, фонари, портативные электронные устройства).
Для устройств, в которых невозможно легко заменить батареи (например, кардиостимуляторы), требуется альтернативный тип батареи, который может медленно и последовательно выделять энергию в течение многих лет и даже десятилетий.
Именно в таких приложениях можно использовать эту новую батарею с ядерным двигателем.
Ядерные батареи не новость. Они существуют с 1913 года, когда Генри Мозли изобрел первый генератор энергии на основе радиоактивного распада. Перенесемся в 1953 год, и Пол Раппапорт предложил использовать полупроводниковые материалы для преобразования энергии бета-распада в электричество. Эти батареи, работающие на бета-распаде, стали известны как бетавольтаические. Хотя бетавольтаики имеют долгий срок службы, их удельная мощность остается низкой. Они действительно нашли ограниченное применение в кардиостимуляторах, но постепенно отказались от них в пользу более дешевых литий-ионных батарей, несмотря на то, что последние имеют более короткий срок службы.
Перенесемся снова в сегодняшний день, и похоже, что команда российских ученых могла бы найти решение, создав таким образом ядерную батарею с высокой плотностью мощности и длительным сроком службы.
Что за прорыв?
Процитируем непосредственно Московский физико-технический институт (МФТИ):
«Исследовательская группа во главе с Владимиром Бланком, директором TISNCM и заведующим кафедрой физики и химии наноструктур МФТИ, придумала способ увеличения плотности мощности ядерной энергии. аккумулятор почти в десять раз больше. Физики разработали и изготовили бета-гальваническую батарею, используя никель-63 в качестве источника излучения и алмазные диоды на основе барьера Шоттки для преобразования энергии. Батарея-прототип достигла выходной мощности около 1 микроватта, а удельная мощность на кубический сантиметр составила 10 микроватт, что достаточно для современного искусственного кардиостимулятора. Никель-63 имеет период полураспада 100 лет, поэтому аккумуляторные батареи дают около 3300 милливатт-часов мощности на 1 грамм - в 10 раз больше, чем у электрохимических элементов ».
Решение производственных задач Прототип ядерной батареи состоит из 200 алмазных преобразователей, чередующихся слоями никеля-63 и стабильной никелевой фольги
Проблема производства этой новой аккумуляторной технологии заключается в изготовлении большого количества алмазных преобразовательных ячеек со сложной внутренней структурой. Чтобы решить эту проблему, в исследованиях TISNCM и MIPT была разработана уникальная технология синтеза тонких алмазных пластин на алмазной подложке и их разделения для массового производства сверхтонких преобразователей.
От прототипа к реальности
Команда намерена продолжить изучение способов улучшения конструкции батареи и вариантов дальнейшего расширения производства. Еще раз процитируем МФТИ:
«Исследователи планируют продолжить работу над ядерными батареями. Они определили несколько направлений расследования, которые следует продолжить. Во-первых, обогащение никелем-63 в источнике излучения пропорционально увеличит мощность батареи. Во-вторых, разработка структуры с алмазным штифтом с контролируемым профилем легирования повысит напряжение и, следовательно, может увеличить выходную мощность батареи по крайней мере в три раза. В-третьих, увеличение площади поверхности конвертера увеличит количество атомов никеля-63 в каждом конвертере ».
