Ученые из МИСиС сделали шаг к изучению Марса и арктического шельфа.
Александр Быков, сотрудник лаборатории «Функциональные низкоразмерные структуры» НИТУ МИСиС, и Ксения Кузьмина, аспирант кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников, получили премию за работу «Разработка и исследование радиационно-стимулированных элементов питания повышенного срока службы».
Выработка электроэнергии напоминает работу солнечных батарей, но ключевое различие заключается в источнике энергии: генератор β-частиц, встроенный в элемент. β-частицы, исходящие из радиоактивного материала и попадающие в полупроводник, создают электрический ток. Такой источник тока способен работать без перерывов несколько лет, а иногда и десятилетиями, в зависимости от применяемого радиоактивного элемента.
Компактные и автономные источники питания с долгим сроком службы необходимы во многих областях, — сказал Александр Быков. В первую очередь речь идет о независимых источниках электроэнергии в системах безопасности высокого уровня. Например, на атомных электростанциях. Также такие элементы нужны для автономного питания спецтехники.
Автономный источник питания незаменим в космических аппаратах и в ситуациях, когда доступ к стандартным источникам энергии затруднён (например, на Крайнем Севере или в глубоководных исследованиях). Важное значение имеет его применение в медицине, например, в медицинских имплантатах.
Марсоход Curiosity также питается от батареек, как и вероятно будущие генераторы электроэнергии первой марсианской колонии.
Чем эффективнее преобразовывать выделяющуюся от распада энергию в электричество, тем лучше. В каждом из перечисленных случаев эффективность критически важна.
Разработки бета-вольтаических генераторов электрического тока ведутся во всех ведущих странах мира. Но Александру Быкову и Ксении Кузьминой под руководством профессора Сергея Леготина удалось создать прорывную технологию. Предложена конструкция преобразователя, в которой при неизменной площади p-n перехода площадь поглощающей поверхности увеличилась в 7 раз. На основании этой идеи разработан и сконструирован преобразователь, а затем и источник питания. Испытания генератора доказали эффективность работы в диапазоне температур от –100°С до +150 °С более 20 лет. Все эти годы устройство удерживает напряжение на электродах 10 В, а частоту переменного тока на уровне 50 Гц.
В разработке применяется алмаз в качестве полупроводникового материала преобразователя, а пьезоэлектрическая монокристаллическая консоль – в качестве рабочего элемента механо-электрического преобразователя. Такое сочетание позволяет получать рабочее напряжение от 1,5 до 9 В при последовательно-параллельной сборке алмазных преобразователей и выше 9 В – при использовании механо-электрических преобразователей.
Александр Быков сообщил, что работа с радиоактивными элементами не была необходима. Вместе с Ксенией Кузьминой Александр стремился создать эффективный преобразователь для превращения ионизирующего излучения в электроэнергию. Полученный преобразователь способен улучшить выходные параметры на 10-20% в зависимости от технологии его изготовления. Срок службы преобразователя совпадает со сроком службы самого генератора излучения, то есть не менее 20 лет.
Результаты работы опубликованы как минимум в 20 научных статьяхПроект трижды получил поддержку через Фонд целевого финансирования перспективных исследований России, а также корпорация «Росатом». Теперь новому элементу есть все шансы отправиться в космос. Кроме того, увеличение производительности β-вольтаических источников электроэнергии на 20% серьезно приблизило человечество к жизни в космосе и на других планетах, а также к планомерной работе в самых суровых условиях арктического шельфа, где иногда требуется многолетняя автономная работа приборов.
