Fallout приближается: новые ядерные батарейки безопасны и работают десятилетия

Профессор из Института науки и технологий Тэгу Кьонбук Су-Ил Ин представил прототип радиоуглеродной ядерной батареи как альтернативу литий-ионным аккумуляторам.

Презентация состоялась в рамках весенней встречи Американского химического общества, проходящей с 23 по 27 марта. Большим недостатком современных литий-ионных аккумуляторов в гаджетах и электромобилях является то, что при повторном использовании они начинают быстрее разряжаться и заряжать их нужно с каждым разом все чаще.

В связи с этим исследователи в качестве альтернативы рассматривают радиоуглерод в качестве источника для небольших, безопасных и долговечных ядерных батарей, которые будут работать в течение многих десятилетий и даже дольше, не требуя дополнительной подзарядки. Добыча лития для аккумуляторов, а также дальнейшая утилизация литий-ионных батарей связаны со значительным загрязнением окружающей среды.

На фоне роста спроса на электронные устройства, центры обработки данных и другие вычислительные технологии возникает потребность в создании долговечных и безопасных аккумуляторов. Как отмечает Су-Ил Ин, предел эффективности литий-ионных батарей фактически уже достигнут.

Ядерные батареи генерируют энергию от излучения радиоактивных элементов. Не все подобные элементы излучают опасную для живых существ и окружающей среды радиацию. Некоторое излучение может блокироваться с помощью соответствующих материалов. К примеру, бета-лучи могут экранироваться тонкими листами алюминия, что делает использование бета-вольтаики потенциально безопасной в ядерных батареях.

Разработчики во главе с Су-Ил Ином создали прототип бета-электрической батареи с использованием углерода-14. Это нестабильная, радиоактивная форма углерода, получившая название радиоуглерода. Радиоуглерод является побочным продуктом на атомных электростанциях. Он недорогой, относительно безопасный и подлежит повторной переработке.

Исследователи считают, что поскольку радиоуглерод имеет очень долгий период полураспада, такие аккумуляторы теоретически могут работать тысячелетиями. В таком типе батареи электроны сталкиваются с полупроводником и за счет этого генерируется энергия. Полупроводники являются критически важным компонентом бета-электрических батарей, поскольку они главным образом отвечают за преобразование энергии.

В настоящее время исследователи занимаются изучением путей использования передовых полупроводниковых материалов для повышения эффективности генерации энергии. В своем прототипе Су-Ил Ин и его коллеги-ученые использовали полупроводник на основе диоксида титана, который часто используют в элементах солнечных батарей, повышая его электропроводность с помощью красителя на основе рутения.

Исследователи усилили взаимодействие между диоксидом титана и красителем за счет обработки лимонной кислотой. В то время как излучение радиоуглерода взаимодействует с красителем на основе рутения, образуется каскад реакций переноса электронов, называемый электронной лавиной. Эта лавина проходит через краситель, а диоксид титана эффективно собирает эти электроны.

Радиоуглерод в прототипе этой батареи также содержится в чувствительных к красителю аноде и катоде. Обработав оба электрода радиоактивным изотопом, исследователи увеличили количество генерируемых бета-лучей и уменьшили связанные с расстоянием потери энергии бета-излучения между двумя структурами.

Во время демонстрации исследователи также выяснили, что бета-лучи, испущенные радиоуглеродом на обоих электродах, активизируют краситель на основе рутения на аноде, генерируя лавину электронов, которую собирает слой диоксида титана, пропуская ее через внешнюю цепь и получая электроэнергию. По сравнению с предыдущей конструкцией с радиоактивным углеродом только на катоде, прототип с радиоуглеродом на катоде и аноде имел значительно более высокую эффективность преобразования энергии с 0,48% до 2,86%.

Однако такая конструкция превращает лишь незначительную часть радиоактивного распада в электричество, что делает ее гораздо менее производительной по сравнению с литий-ионными аккумуляторами. По мнению Су-Ил Ина, дальнейшее совершенствование формы излучателя и разработка более эффективных поглотителей бета-лучей могут повысить эффективность батареи и увеличить выработку электроэнергии.

Источник: TechXplore