Шесть лет назад наши учёные из НИТУ "МИСиС" впервые представили атомную батарейку с невероятным сроком службы - 20 лет. Такие элементы питания были разработаны специально для использования в космической отрасли. С похожим проектом выступил австралийский разработчик entX. Компания планирует перенести на промышленные рельсы аддитивное производство своих бетавольтаических батарей, то есть печатать их на специальном 3D-принтере. Принцип работы австралийских батарей, как и наших отечественных, построен на преобразовании энергии распада β-излучающего радиоактивного элемента в электроэнергию.
У меня, как и у многих из нас, есть смартфон, планшет и ноутбук. В каждом из этих гаджетов есть аккумулятор - независимый элемент питания. Буквально все научные конференции, которые я посетил за прошедший год, затрагивали вопрос создания элементов питания - в основном для электромобилей и, как приложение, для мобильных устройств.
Все мы уже привыкли к тому, что в описании нового смартфона говорится о твердотельном или, что тоже самое, о кремний-углеродном аккумуляторе. Главная задача - сделать небольшую батарейку с большой плотностью энергии. В отзывах читателей канала под обзорами смартфонов я всегда встречаю негодование относительно размеров новинок и высказывание "снова лопата" - это уже, как "здрасьте" .
Из всего вышеперечисленного напрашивается вывод, что для будущих поколений электроники важны три вещи: малые размеры, надёжность и недорогие источники питания, не требующие зарядки длительное время.
Для смартфонов, планшетов и т.д. придумали и запустили в производство твердотельные литиевые аккумуляторы (они же кремний-углеродные или просто твердотельные). Для электромобилей китайские разработчики изобрели аккумулятор, рассчитанный на 2 млн километров (обзор). Немцы придумали, как сделать этот аккумулятор дешёвым, то есть безопасно заменить литий на дешёвый натрий, сохранив плотность энергии и физические свойства (обзор).
Шестью годами ранее наши российские учёные ушли гораздо дальше и создали атомную батарейку, готовую работать 20 лет (обзор) без подзарядки.
Единственный минус атомной батарейки - она очень дорогая. Такую в смартфон за 30.000 рублей не поставишь. Поэтому разрабатывалась батарейка для космической отрасли. Атомная батарейка оказалась очень надёжной - может работать при экстремальных температурах открытого космоса.
Недавно австралийские учёные решили сделать атомную батарейку более дешёвой и стали разрабатывать технологию её печати на 3D-принтере или, как её ещё называют - аддитивную технологию производства.
Бетавольтаические батареи.
Эти атомные или ядерные батарейки также называют бетавольтаическими из-за β-источника, лежащего в их основе. Если не углубляться в ядерную физику и постараться объяснить простым языком как они работают, то эти батареи преобразуют энергию радиоактивного распада бета-излучающего радиоизотопа - радиоактивного элемента в электрическую энергию.
Сама батарея устроена как полупроводник. Такие источники питания отличаются надёжностью и небольшими размерами. Согласно научному изданию ScienceDirect, бетавольтаические батареи можно миниатюризировать до размера человеческого волоса. Они обладают длительным потенциалом срока службы — от нескольких десятков до нескольких сотен лет.
В среднем, плотность энергии таких батарей в 10 раз больше, чем в литиевых. Миниатюрные бетавольтаические батареи сейчас используют не только в космической отрасли, но и в дистанционных датчиках и имплантируемых медицинских устройствах.
Если взять нашу атомную батарейку, в которой используется микроканальная 3D-структура никелевого бетавольтаического элемента, то при такой конструкции с использованием высокообогащенного источника Ni-63 можно достичь выходной мощности, приблизительно, 40 мкВт/см³. Также, в качестве изотопа можно использовать тритид титана или бериллия.
Ниже показана таблица выходной мощности при использовании других радиоизотопов:
Как напечатать на 3D-принтере ядерную батарейку?
Сразу отметим, что дома её не напечатать.
Ядерные (атомные, бетавольтаические) батарейки бывают жидкостными и твердотельными. Твердотельные обладают более высокой плотностью энергии, поэтому к ним проявляется больший интерес. Создают их по такому же принципу, как твердотельные литиевые батареи с той лишь разницей, что в литиевых слои анод - твёрдый электролит - катод, а в ядерной слои радиоизотопа и полупроводника. При создании бетавольтаической батареи общее количество слоёв проектируются и оптимизируются в зависимости от области применения.
Этим как раз и занимаются австралийская инженерная фирма entX совместно с учёными университета Аделаиды. Они разрабатывают метод 3D-печати ядерных батарей. Эта технология должна объединить 3D-печать с высокоточным нанесением тонких плёнок. То есть, такая печать будет наносить друг на друга слои металла и полупроводников толщиной всего в несколько нанометров. В результате процесса будут создаваться многослойные "батареи-сэндвичи".
Технология позволит создавать сверхтонкие бетавольтаические плёнки, а сам источник питания будет создаваться методом послойного построения.
Планы компании предполагают в ближайшие 14 месяцев запустить промышленное производство многослойных батарей.
Помимо печати слоёв батареи, 3D-печать используется для создания специальных радиационных экранов. Если всё пойдет по плану, то Австралия рассчитывает в ближайшее время представить первый в мире мощный бетавольтаический демонстрационный образец.
Итог.
Для чего австралийцы затеяли печать атомных батареек? Оказывается для своих военных дронов. AUKUS — трёхсторонний военный альянс Австралии, Великобритании и США в Индо-Тихоокеанском регионе очень нуждается в беспилотниках с хорошими, добротными аккумуляторами, которые не надо заряжать несколько лет. Вероятно, эти лёгкие и дешёвые, напечатанные на 3D-принтере, аккумуляторы появятся уже через 14 месяцев.
Может быть интересно:
Благодарю Вас за прочтение и потраченное время.