Вчені створили нову ядерну батарею, яка може працювати десятиліттями в космосі та під водою

Група китайських інженерів створила крихітну ядерну батарею, яка виробляє електрику за рахунок розпаду радіоактивного ізотопу америцію. Батарейка ефективніша за своїх попередників у вісім тисяч разів, не потребує підзарядки, здатна витримувати сильні навантаження без пошкоджень і може працювати протягом кількох десятиліть. На думку дослідників, їх пристрій можна буде використовувати у датчиках, які працюють у складних умовах, де традиційні джерела енергії є непрактичними.

Починаючи з 1900-х років, через деякий час після відкриття радіоактивності, вчені намагалися створити довговічні та стійкі до пошкоджень батареї, які б виробляли електроенергію за рахунок енергії розпаду радіоактивних ізотопів. У другій половині XX століття з’явилися перші прототипи таких батарейок, які здебільшого працювали на бета-випромінюванні радіоактивних ізотопів та напівпровідників: ізотоп випускає частинки, які потім потрапляють на напівпровідники, останні перетворюють частки на енергію.

Пристрої на основі бета-вольтаїчних елементів почали застосовувати в медицині, космічній техніці та системах, де заміна звичайних батарей утруднена або навіть неможлива, наприклад в арктичних маяках.

Однак подібні пристрої виявилися не надто ефективними. Головний мінус бета-вольтаїчних елементів вони дають досить слабкий електричний струм. Такими батареями неможливо мати великі установки, тільки мініатюрні прилади. Для живлення чогось потужного потрібна велика кількість бета-вольтаїчних елементів.

З розвитком науки вчені вигадали нові способи, що дозволяють покращити якість перетворення енергії ізотопу в струм. Однією з таких технологій є використання альфа-випромінювання, тобто ізотопів, що випускають альфа-частинки.

ККД батарейок на основі альфа-випромінювання в кілька разів вище, ніж бета-вольтаїчних елементів, але й у перших є свої недоліки. У таких батареях застосовуються нестандартні конструкції з дорогими компонентами, через що їх розробки просуваються повільно.

Команда китайських інженерів під керівництвом Шуао Вана (Shuao Wang) з Університету Сучжоу вигадала недорогий спосіб перетворення альфа-випромінювання в електричний струм. Вони розробили мініатюрну ядерну батарейку, де використовували відносно дешеві компоненти. Про це вчені розповіли у статті, опублікованій у журналі Nature. За словами авторів наукової роботи, ефективність їх батарейки у вісім тисяч разів вища за старі бета-вольтаїчні елементи.

За основу дослідники взяли хімічний елемент америцій (Am) — один із радіотоксичних і довгоживучих компонентів відпрацьованого ядерного палива. Ізотопи америція, розпадаючись, випускають альфа-частинки, які несуть у собі багато енергії, але швидко втрачають її у навколишньому середовищі. Тому вчені вбудували америцій у полімерний кристал, який перетворив цю енергію на стійке та стабільне оптичне зелене світіння.

Потім Ван і його колеги з’єднали цей кристал із тонким фотоперетворювачем — пристроєм, що перетворює світло на електрику. Нарешті отриману ядерну батарейку «упакували» в кварцову оболонку міліметрового розміру.

За словами Вана, протягом 200 годин випробувань пристрій стабільно виробляв електрику з безпрецедентною ефективністю, причому для роботи батареї була потрібна лише мінімальна кількість радіоактивного матеріалу.

Період напіврозпаду самого довговічного ізотопу америцію – AM-243 – майже 7,4 тисячі років. Попри таку довговічність, нова ядерна батарея зможе працювати протягом кількох десятиліть, оскільки її компоненти в результаті будуть зруйновані гамма-випромінюванням (альфа-випромінювання досить інтенсивно і часто супроводжується гамма-випромінюванням).

Батарейка, розроблена китайськими інженерами, значно покращить загальну ефективність перетворення альфа-випромінювання в електричний струм та вихідну потужність порівняно з попередніми зразками. Однак вона все одно виробляє набагато менше енергії, ніж традиційні джерела: лише 139 мікроватів. Наприклад, для живлення лампи розжарювання в 60 Вт потрібно кластер з величезної кількості таких пристроїв.

Ван із колегами вже працює над підвищенням ефективності та вихідної потужності своєї системи. Також вчені планують зробити ядерну батарейку простішою та безпечнішою у використанні, адже в ній містяться небезпечні радіоактивні матеріали.

Команда інженерів сподівається, що в майбутньому їх розробку можна буде використовувати для живлення невеликих датчиків, що працюють у складних умовах, де традиційні джерела енергії непрактичні: наприклад, при глибоководних дослідженнях, космічних польотах або в приладах, призначених для дистанційного керування та моніторингу.