это довольно модная тема. эта область привлекает внимание ведущих научных групп и крупных компаний, но я решил немного разбавить круг этих серьёзных специалистов.
основное преимущество использование бета батарей состоит в том, что можно сделать батарейку с очень большим временем эксплуатации - порядка 100 лет, однако при этом надо понимать, что выделяется сравнительно небольшая мощность. и такие батареи не могут пока составить сильной конкуренции традиционным батареям например на основе ионов лития.
обычно говорят об алмазах. в таких батареях осуществляется прямой сбор заряда. бета-частица создаёт в алмазе электронно-дырочные пары, которые разделяются встроенным электрическим полем (p-n-переходом). но мне в голову пришла мысль: "не у каждого дома есть подходящий алмаз". конечно речь не о ювелирных алмазах, но тем не менее выращивание искусственных алмазов тоже не самый дешёвый техпроцесс.
можно ли заменить удешевить конструкцию? одним из возможных решений является адаптация принципа, используемого в фотоэлектрических преобразователях. о них вы можете прочитать здесь:
но рассматриваемая конструкция работает не с теплом, а источником будет энергия бета электронов. при этом будет использоваться тот же промежуточный носитель энергии - свет. рассмотрим такую конструкцию:
- слой корпуса
- фотопреобразователь
- сцинтиллятор
- слой бета источника
- сцинтиллятор
- фотопреобразователь
- слой корпуса.
фактически это два фотоэлектрических преобразователя расположенные по обе стороны от бета источника.
на фотоэлементы нужно нанести тонкий слой вольфрама который отражает бета частицы, но прозрачен для фотонов т.е. бета источник и слои сцинтиллятора как бы зажаты двумя отражающими бета частицы слоями. в этой ситуации больше вероятность что бета частица будет использована "правильно".
сцинтиллятор бомбардируется низкоэнергетическими бета частицами, излучаемый сцинтиллятором свет преобразуется в электричество фотоэлектрическим модулем на основе кремниевых полупроводников.
основная проблема в том, что при облучении бета частицами кремниевые преобразователи довольно быстро деградируют. поэтому защищены слоем напыленного на них вольфрама. есть смысл использовать более дорогие и менее чувствительные к бета излучению материалы например арсенид галлия (GaAs). вольфрам хорошо отражает бета электроны, достаточно тонкий слой прозрачен для фотонов.
однако принципиального выигрыша в КПД по сравнению с алмазными батарейками нет - тоже около 5 %, но есть потенциал к росту до 10-15%. причина низкого КПД, что при сцинтилляции в излучение преходит малая часть энергии бета электронов, основная же часть энергии уходит в бесполезный нагрев. как можно добиться увеличения КПД?
- использовать мало чувствительные к бета излучению материалы для изготовления фотоэлектрического преобразователя.
- для монохромного излучения КПД преобразования может быть порядка 80%. т.е. улучшая сцинтилляционный материал и спектр его излучения можно снизить потери и увеличить КПД фотоэлектрического преобразования.
главное преимущество такого подхода его дешевизна - нам не нужны экзотические материалы, если конечно вы не захотите заменить вольфрам золотом. кончтрукция получается сравнительно дешёвая.
в качестве источника бета излучения подойдет NI-63. этот изотоп практически идеален благородя совокупности свойств: долгому периоду полураспада (100,1 года), низкой энергии бета-излучения максимум 66 кэВ, 17 кэВ в среднем. недостатком же изотопа можно назвать относительную сложность его получения. Ni-63 получают путём облучения стабильного изотопа никель-62 (Ni-62) нейтронами в ядерном реакторе. изотопная распространённость 62Ni в природном никеле составляет всего 3,59%.
материалом для сцинтилляционного слоя может выступать NaI(Tl) (йодид натрия, активированного таллием), поливинилтолуол (PVT) это распространённый материалы, применяются для производства аппаратуры регистрирующей ионизирующие излучение. однако нужно разрабатывать новые более эффективные материалы.
сцинтилляционные материалы светятся как правило больше в ультрафиолете (первичная сцинтилляция) и это излучение активирует вторичное излучение излучение, называемое смешеным излучением.
большинство сцинтилляторов излучают свет в ультрафиолетовом диапазоне. для согласования со спектральной чувствительностью кремниевых фотоприёмников в сцинтиллятор часто добавляют вторичные люминофоры (шифтеры), которые поглощают УФ-свет и переизлучают его в видимом диапазоне - "смещают спектр".
возможно вместо кремниевых преобразователей возможно использовать перовскиты, что ещё больше должно удешевить конструкцию. перовскиты имеют среднюю чувствительность к бета излучению особенно неорганические, кроме того перовскиты позволяют регулировать ширину
запрещённой зоны, которая зависит от состава материала. это позволяет
оптимизировать их для поглощения света в определённом диапазоне длин
волн. относительным недостатком перовскитов можно назвать их
относительно небольшой КПД ~25% для лабораторных образцов.однако перовскиты хорошо работают с более "синим" излучением. т.е. не нужно дополнительно смещать первичное излучение.
вся конструкция может представлять из себя многослойный материал который можно свернуть в рулон т.е. придать ему любую форму например батарейки форм-фактора аа.
какой именно подход для создания бета-вольтаических источников победит сказать я не могу: тут необходим точный расчёт учитывающий все множество факторов, а не оценочный. как уже отмечалось главное преимущество предлагаемого подхода его относительная дешевизна.