Китайские инженеры разработали миниатюрную ядерную батарею, использующую радиоактивный распад изотопа америция для генерации электричества. Новое устройство в восемь тысяч раз превосходит предыдущие аналоги по эффективности, не требует подзарядки, способно выдерживать экстремальные нагрузки и рассчитано на десятилетия работы. Ученые полагают, что их разработка найдет применение в датчиках, предназначенных для эксплуатации в сложных условиях, где обычные источники питания нецелесообразны.
Начиная с 1900-х годов, спустя небольшой промежуток времени после открытия радиоактивности, ученые пытались создать долговечные и устойчивые к повреждениям батарейки, были разработаны устройства, предназначенные для генерации электричества посредством энергии, выделяющейся при распаде радиоактивных изотопов. В конце двадцатого века были созданы первые опытные образцы таких источников питания, основанные преимущественно на бета-излучении радиоактивных изотопов и полупроводниковых материалов: радиоактивный изотоп испускает частицы, которые затем воздействуют на полупроводники, преобразуя их в электрическую энергию.
Устройства на основе бета-вольтаических элементов начали применять в медицине, космической технике и в системах, где замена обычных батарей затруднена или даже невозможна, например в арктических маяках.
Подобные устройства, однако, не продемонстрировали высокой эффективности. Основной недостаток бета-вольтаических элементов заключается в том, что они производят незначительный электрический ток. Использовать такие источники питания для крупных систем невозможно, они подходят лишь для небольших устройств. Для обеспечения энергией мощного оборудования требуется значительное количество бета-вольтаических элементов.
Благодаря прогрессу в области науки, исследователи разработали инновационные методы повышения эффективности преобразования энергии изотопа в электрический ток. К таким технологиям относится применение альфа-излучения, то есть изотопов, испускающих альфа-частицы.
Эффективность батарей, использующих альфа-излучение, значительно превышает показатели бета-вольтаических элементов, однако и они обладают рядом ограничений. При изготовлении таких устройств используются необычные конструкции и дорогостоящие компоненты, что замедляет их развитие.
Команда китайских инженеров во главе с Шуао Ваном ( Shuao Wang) из Университета Сучжоу предложили экономичный метод преобразования альфа-излучения в электрический ток. Разработанная ими миниатюрная ядерная батарея использует доступные по цене материалы. Подробности исследования представлены в научной статье, опубликованной в журнале Nature. Авторы научной работы утверждают, что их батарея демонстрирует эффективность, превосходящую показатели устаревших бета-вольтаических элементов в восемь тысяч раз.
В качестве отправной точки для исследования был выбран химический элемент америций (Америций (Am) относится к числу наиболее опасных с точки зрения радиотоксичности и долгоживущих элементов, образующихся в процессе эксплуатации ядерного топлива. Изотопы америция, подвергаясь распаду, выделяют альфа-частицы, обладающие значительной энергией, однако быстро теряющие ее в окружающем пространстве. В связи с этим, исследователи разработали способ включения америция в полимерный кристалл, который позволяет преобразовывать эту энергию в постоянное и устойчивое зеленое свечение.
В дальнейшем Ван и его соавторы присоединили кристалл к тонкому фотопреобразователю, который служит для преобразования света в электричество. Завершающим этапом стало размещение созданной ядерной батареи в кварцевой оболочке, размеры которой составляют миллиметр.
По заявлению Вана, в ходе двухсотчасовых испытаний устройство демонстрировало стабильную генерацию электричества с выдающейся эффективностью, при этом для функционирования батареи необходимо было лишь небольшое количество радиоактивного вещества.
Составляет приблизительно 4 322 года — почти 7,4 тысячи лет. Несмотря на высокую долговечность, новая ядерная батарейка сохранит работоспособность в течение нескольких десятилетий, так как ее состав со временем будет подвергаться воздействию гамма-излучения (альфа-излучение, как правило, сопровождается интенсивным гамма-излучением).
Новая батарея, созданная китайскими инженерами, демонстрирует существенное повышение эффективности преобразования альфа-излучения в электричество и увеличение выходной мощности в сравнении с предыдущими версиями. Тем не менее, она по-прежнему генерирует значительно меньшее количество энергии, чем обычные источники питания, а именно 139 микроватт. Для питания лампочки мощностью 60 ватт потребуется большое количество таких батарей.
В настоящее время Ван и его коллеги занимаются оптимизацией работы и увеличением мощности своей системы. Кроме того, исследователи намерены упростить конструкцию ядерной батареи и повысить её безопасность, поскольку в её составе присутствуют радиоактивные вещества, представляющие потенциальную опасность.
Инженеры рассчитывают, что их разработка сможет в перспективе обеспечивать энергией небольшие датчики, функционирующие в экстремальных условиях, где использование обычных источников питания затруднено или невозможно. К таким условиям относятся, например, глубоководные исследования, космические миссии или устройства, используемые для удаленного контроля и мониторинга.