Вчені створили акумулятор, який ніколи не потребує зарядки

Уявіть, що ваш телефон ніколи не потрібно заряджати, а кардіостимулятор служить усе життя. Вчені розробляють крихітні ядерні батареї, що працюють на радіовуглеці — безпечному та поширеному побічному продукті ядерних електростанцій.

На відміну від літій-іонних батарей, які з часом деградують і шкодять довкіллю, нові розробки використовують бета-випромінювання для створення каскаду електронів і вироблення електроенергії. Останній прототип команди значно підвищив ефективність технології, і хоча ще залишаються виклики, одного дня ядерна енергія може стати такою ж доступною, як ваш кишеньковий гаджет.

Проблеми сучасних батарей

Раптово розряджені телефони та електромобілі, які не можуть доїхати до місця призначення, підкреслюють спільну проблему – обмеженість батарей. Більшість перезаряджуваних літій-іонних (Li-ion) батарей, що використовуються у телефонах, ноутбуках і транспорті, працюють лише кілька годин або днів між заряджаннями. З часом їхня ефективність знижується, що змушує користувачів заряджати їх частіше.

Щоб розв’язати цю проблему, дослідники вивчають новий підхід: ядерні батареї на основі радіовуглецю. Ці компактні та доступні батареї можуть забезпечувати безпечну та довговічну енергію протягом десятиліть без необхідності перезаряджання.

Представлення нового рішення

Су-Іль Ін, професор Інституту науки і технологій Тегу-Кьонбук, представить результати своєї команди на весняній конференції Американського хімічного товариства (ACS) 2025 року, яка відбудеться 23-27 березня. Подія включатиме близько 12 000 доповідей на різні наукові теми.

Маленька барвниково-сенсибілізована бета-вольтаїчна батарея

Ця батарея містить радіовуглець як на катоді, так і на аноді, що підвищує її ефективність перетворення енергії.

Екологічні та технологічні обмеження

Часте перезаряджання не лише незручне, а й обмежує ефективність таких технологій, як дрони чи віддалені сенсори, які потребують стабільного довготривалого живлення. Крім того, літій-іонні батареї мають значні екологічні недоліки: видобуток літію енергоємний, а неправильна утилізація може завдати шкоди екосистемам.

«Продуктивність літій-іонних батарей майже досягла своєї межі», – зазначає Ін, який досліджує майбутні енергетичні технології. Тому його команда працює над ядерними батареями як альтернативою літію.

Як працюють ядерні батареї

Ядерні батареї виробляють енергію, використовуючи високоенергетичні частинки, які випромінюються радіоактивними матеріалами. Не всі радіоактивні елементи є шкідливими для організму, і деякі види випромінювання можна легко екранувати. Наприклад, бета-частинки (або бета-промені) можна блокувати тонким шаром алюмінію, що робить бета-вольтаїку потенційно безпечним варіантом для ядерних батарей.

Дослідники створили прототип бета-вольтаїчної батареї з використанням ізотопу вуглецю-14, відомого як радіовуглець. «Я вирішив використовувати радіоактивний ізотоп вуглецю, оскільки він випромінює лише бета-промені», – пояснює Ін. Крім того, радіовуглець є побічним продуктом ядерних електростанцій, його легко добути та переробити. А оскільки він розпадається дуже повільно, така батарея може працювати тисячоліттями.

Створення ефективнішої бета-вольтаїчної батареї

У типовій бета-вольтаїчній батареї електрони вдаряються об напівпровідник, що спричиняє утворення електроенергії. Напівпровідники відіграють критичну роль у процесі перетворення енергії, тому вчені активно шукають нові матеріали, які покращать ефективність батарей.

Щоб суттєво підвищити коефіцієнт перетворення енергії, команда використала напівпровідник на основі діоксиду титану (TiO₂), який часто застосовується в сонячних батареях, та барвник на основі рутенію. Вони зміцнили зв’язок між TiO₂ та барвником за допомогою обробки лимонною кислотою. Коли бета-промені з радіовуглецю взаємодіють із рутенієвим барвником, відбувається каскадна передача електронів – так званий «електронний лавинний ефект». Потім електрони передаються через барвник у TiO₂, який ефективно їх збирає.

Інновація з подвійним електродом

Нова батарея містить радіовуглець і в аноді, і в катоді. Обробка обох електродів радіоактивним ізотопом збільшила кількість вироблених бета-променів та зменшила втрати енергії між структурами.

Під час тестування прототипу команда виявила, що бета-промені, випромінювані радіовуглецем в обох електродах, активували рутенієвий барвник на аноді, створюючи електронний лавинний ефект. Отримані електрони збиралися шаром TiO₂ і передавалися через зовнішню електричну схему, генеруючи струм. У порівнянні з попереднім дизайном (де радіовуглець був лише на катоді), нова батарея продемонструвала значно вищу ефективність перетворення енергії — від 0,48% до 2,86%.

Довгострокові перспективи та застосування

Ін вважає, що такі ядерні батареї можуть знайти широке застосування. Наприклад, кардіостимулятори можуть працювати все життя, усуваючи потребу в хірургічній заміні.

Проте на сьогодні бета-вольтаїчний дизайн перетворює лише невелику частину радіоактивного розпаду на електроенергію, що робить його менш потужним, ніж звичайні літій-іонні батареї. Ін вважає, що подальше вдосконалення форми випромінювача бета-променів та розробка більш ефективних поглиначів допоможуть покращити продуктивність батареї.

Переосмислення ядерної енергії

Зі зростанням екологічних проблем ставлення до ядерної енергетики змінюється. Вона вже не сприймається лише як енергія великих електростанцій. Завдяки новій технології барвниково-сенсибілізованих бета-вольтаїчних батарей Ін стверджує: «Ми можемо розмістити безпечну ядерну енергію у пристроях розміром із палець.»

Дослідження фінансувалося Національним фондом досліджень Кореї та Інститутом науки і технологій Тегу-Кьонбук за підтримки Міністерства науки, інформації та комунікаційних технологій Кореї.