Fallout наближається: нові ядерні батарейкі безпечні і працюють десятиліття

Професор з Інституту науки та технологій Тегу Кьонбук Су-Іл Ін представив прототип радіовуглецевої ядерної батареї як альтернативу літій-іонним акумуляторам.

Презентація відбулась у рамках весняної зустрічі Американського хімічного товариства, що проходить з 23 по 27 березня. Великим недоліком сучасних літій-іонних акумуляторів у гаджетах та електромобілях є те, що під час повторного використання вони починають швидше розряджатись і заряджати їх потрібно з кожним разом все частіше.

У зв’язку з цим дослідники в якості альтернативи розглядають радіовуглець у якості джерела для невеликих, безпечних і довговічних ядерних батарей, що працюватимуть протягом багатьох десятиліть та навіть довше, не потребуючи додаткової підзарядки. Видобуток літію для акумуляторів, а також подальша утилізація літій-іонних батарей пов’язані із значним забрудненням навколишнього середовища.

На тлі зростання попиту на електронні пристрої, центри обробки даних та інші обчислювальні технології виникає потреба у створенні довговічних та безпечних акумуляторів. Як зазначає Су-Іл Ін, межа ефективності літій-іонних батарей фактично вже досягнута.

Ядерні батареї генерують енергію від випромінення радіоактивних елементів. Не всі подібні елементи випромінюють шкідливу для живих істот і навколишнього середовища радіацію. Деяке випромінювання може блокуватись за допомогою відповідних матеріалів. До прикладу, бета-промені можуть екрануватись тонкими листами алюмінію, що робить використання бета-вольтаїки потенційно безпечною у ядерних батареях.

Розробники на чолі з Су-Іл Іном створили прототип бета-електричної батареї із використанням вуглецю-14. Це нестабільна, радіоактивна форма вуглецю, що отримала назву радіовуглецю. Радіовуглець є побічним продуктом на атомних електростанціях. Він недорогий, відносно безпечний і підлягає повторній переробці.

Дослідники вважають, що оскільки радіовуглець має дуже довгий період напіврозпаду, такі акумулятори теоретично можуть працювати тисячоліттями. У такому типі батареї електрони стикаються з напівпровідником і за рахунок цього генерується енергія. Напівпровідники є критично важливим компонентом бета-електричних батарей, оскільки вони головним чином відповідають за перетворення енергії.

Наразі дослідники займаються вивченням шляхів використання передових напівпровідникових матеріалів для підвищення ефективності генерації енергії. У своєму прототипі Су-Іл Ін та його колеги-науковці використали напівпровідник на основі діоксиду титану, який часто використовують в елементах сонячних батарей, підвищуючи його електроповідність за допомогою барвника на основі рутенію.

Дослідники посилили взаємодію між діоксидом титану та барвником за рахунок обробки лимонною кислотою. У той час як випромінення радіовуглецю взаємодіє з барвником на основі рутенію, утворюється каскад реакцій переносу електронів, що називають електронною лавиною. Ця лавина проходить через барвник, а діоксид титану ефективно збирає ці електрони.

Радіовуглець у прототипі цієї батареї також міститься у чутливих для барвника аноді та катоді. Обробивши обидва електроди радіоактивним ізотопом, дослідники збільшили кількість генерованих бета-променів і зменшили пов’язані з відстанню втрати енергії бета-випромінювання між двома структурами.

Під час демонстрації дослідники також з’ясували, що бета-промені, випущені радіовуглецем на обох електродах, активізують барвник на основі рутенію на аноді, генеруючи лавину електронів, яку збирає шар діоксиду титану, пропускаючи її через зовнішній ланцюг та генеруючи електроенергію. Порівняно з попередньою конструкцією з радіоактивним вуглецем лише на катоді, прототип з радіовуглецем на катоді та аноді мав значно вищу ефективність перетворення енергії з 0,48% до 2,86%.

Однак така конструкція перетворює лише незначну частину радіоактивного розпаду в електрику, що робить її набагато менш продуктивною у порівнянні з літій-іонними акумуляторами. На думку Су-Іл Іна, подальше вдосконалення форми випромінювача та розробка більш ефективних поглиначів бета-променів можуть підвищити ефективність батареї та збільшити вироблення електроенергії.

Джерело: TechXplore