Атомная батарейка: механизм работы и новейшие прототипы

Атомная батарейка — один из видов автономных источников энергии. Их часто применяют, когда прибор находится очень далеко (например, в космосе) или глубоко (например, на дне океана). Ну или в Арктике — туда тоже лишний раз соваться не хочется. В общем, везде, где трудно поменять батарейки или просто зарядить аккумулятор, а тем более — провести электричество.

Батарейка может работать бесперебойно до 50 лет. В космических миссиях, например Voyager и Mars Rover, они обеспечивают питание для научного оборудования и связи.

Срок службы атомных батареек полностью снимает вопрос о зарядке или замене аккумулятора. Это существенно сокращает затраты на техническое обслуживание оборудования. Так атомная энергетика привлекает внимание организаций, которые стремятся оптимизировать своё производство и повысить надёжность новых продуктов.

Ого, а как она работает?

Атомные батарейки называют по-разному: ядерная, радиоактивная, бета-вольтаическая, бриллиантовая, радиоизотопная. Главный герой в системе работы — радиоактивный изотоп. Это очень тонкий лист металла или газ. Рассмотрим ситуацию более подробно на примере металлического изотопа.

Батарейка состоит из нескольких слоёв, это называют «сэндвич-структура». Кроме основной котлетки — изотопа — в сэндвиче есть два полупроводника. И, конечно, коробочка — противоударный и радиоотражающий корпус.

Принцип взаимодействия слоёв очень похож на работу солнечной батареи. Только здесь на полупроводник воздействует бета-излучение изотопа.

Когда излучение сталкивается с отрицательно заряженным полупроводником (n), он насыщается электронами. При этом буквально через дорогу от n-проводника — положительно заряженный полупроводник (p). Так сложилось, что отрицательные электроны всегда стремятся соединиться с положительными. Соединяясь, они образуют электрон-дырочную пару. Реакция происходит как раз на «дороге» — пустом пространстве между двумя полупроводниками (обеднённый слой). Но они не одни: тут же вмешивается радиоизлучение изотопа (волна электронов) и разрывает эти пары. Случается трагедия, но отрицательные электроны спешат воссоединиться со своей «положительной» парой и несутся к выводу.

Вывод — это присоединённый к положительному и отрицательному полупроводникам, условно, проводок. Именно по нему отрицательные электроны бегут к своим положительным «половинкам». Тут надо пояснить, что соединение «плюс» и «минус» рандомное. Электроны с разным зарядом не являются взаимозависимыми половинками, но между ними есть осознанное притяжение двух психологически полноценных частиц. По пути им встречается поворот к прибору — собственно, цель всей затеи. И часть электронов тратится на то, чтобы, к примеру, зажечь лампочку. Всё, вот и кульминация.

В изотопе много заряда: он излучает электроны и позитроны 10, 20, 30 и более лет. А значит, вся эта история наматывает круги много-много раз, как бесконечные турецкие сериалы. Кстати, скорость движения бета-частиц приближена к скорости света.

За последние годы на мировом рынке выпущено несколько прототипов атомных батареек. Все они технически работают немного по-разному, но суть одна: электричество появляется за счёт радиоизлучения.

BETAVOLT

Китайские учёные в 2024 году представили батарейку 15 × 15 × 5 мм, заряда которой, по их словам, хватит на 50 лет. Источником энергии служит никель-63 — радиоактивный изотоп. Миниатюрный размер позволяет использовать батарейку почти где угодно. Она защищена несколькими слоями специальной плёнки и прошла тщательные испытания на соответствие строгим стандартам безопасности. А используемый изотоп никель-63 обладает низким уровнем радиоактивности и несёт минимальный риск для окружающей среды. Продукт готовится к серийному производству в 2025 году.

Arkenlight

Британская компания Arkenlight разрабатывает аккумуляторы, работающие на основе ядерных отходов. Том Скотт, учёный-материаловед, и Нил Фокс, химик из Бристольского университета, основали эту компанию в августе 2020 года для коммерциализации изобретённой технологии создания радиоактивных батарей.

В качестве изотопа они используют графит с выведенных из эксплуатации атомных станций. Графит получают из радиоактивного углерода-14. Из него также изготавливают искусственные алмазы.

Углерод-14 — безопасный вид ядерных отходов. При превращении в алмаз он может генерировать и накапливать заряд, снижая коэффициент потерь энергии при перемещении бета-частиц. Сам алмаз работает как теплоотвод с высокой степенью механической безопасности благодаря жёсткой структуре и твёрдости.

Поскольку углерод-14 в алмазе естественным образом распадается, бета-частицы отбрасывают электроны и генерируют электрический ток. Первые коммерческие аккумуляторы компания планирует выпустить на рынок в 2024 году.

А это не опасно?

Все атомные батарейки имеют корпус, поглощающий вредное для человека и природы радиоизлучение. Также существуют специальные требования к изотопам, которые допустимо использовать в таких разработках. При выборе радионуклидов критически важны не только их физические характеристики, но и безопасность. Плутоний-238 и никель-63 подходят лучше всего благодаря относительно низкому уровню гамма-излучения и долгосрочной стабильности.

Где кнопка «Купить»?

Сегодня цена одной атомной батарейки (на тритиуме) — около 750 тысяч рублей. Всё из-за высокой стоимости производства. Цена грамма никеля-63 достигает сотен тысяч рублей из-за сложности технологического процесса.

В теории процесс можно немного удешевить за счёт масштабирования производства. Но для этого придётся дождаться скачка потребительского спроса.

Почему покупают нечасто?

Разберём преимущества и недостатки атомной батарейки. Что хорошо:

• Срок службы. В отличие от обычных аккумуляторов, служат они десятилетиями. Это надёжный источник энергии, который может долго использоваться без технического обслуживания.

• Плотность заряда. Атомная батарейка обеспечивает очень высокую плотность заряда и очень небольшой вес.

• Меньше отходов. При этом практически не образуются отходы и не выделяются парниковые газы. В качестве источника энергии используются переработанные отходы ядерного реактора.

Что требует доработки:

• Дорогое производство. Очень высокие первоначальные затраты, поскольку всё ещё находится на стадии эксперимента.

• Слабое питание. Мощность атомных батареек пока не соответствует потребностям современных гаджетов. Например, с 1 см³ батарейки на основе никеля-63 можно получить примерно 1,5 вольта. Для питания устройства требуется значительно больший объём — около 100–150 см³. Кроме того, потребуется защитный корпус толщиной около сантиметра. Такая «пирамидка» даст около 225 вольт. Для работы компьютера нужно от 600 до 1000 вольт.

• Потенциальная опасность. Да, каждый прототип батарейки надёжно защищён корпусом. Но не стоит забывать о человеческом факторе.

Здорово, а зачем это всё мне?

В области физики элементарных частиц активно используют информационные технологии при работе на крупных научных комплексах. И даже проводят специальные образовательные программы. Учёные создают программные пакеты для моделирования физических процессов и установок, разрабатывают алгоритмы реконструкции, идентификации и отбора треков частиц, а также применяют методы машинного обучения для решения различных задач. Кроме того, специалисты на стыке физики и информатики занимаются обработкой и анализом данных и выполняют распределённые вычисления на высокопроизводительных компьютерных кластерах.

Вот для чего может пригодиться программирование в физике:

• Изучение алгоритмов и структур данных.

• Обработка и анализ результатов экспериментов.

• Освоение основ системного администрирования.

• Применение алгоритмов машинного обучения.

• Работа со специализированными программными пакетами, которые используются в физике высоких энергий.

Спрос на более компактные, быстрые, дешёвые и энергоэффективные технологии постоянно растёт. Учёные исследуют оптимальные комбинации радиоизотопов и полупроводников, чтобы повысить эффективность преобразования энергии. Также проводятся эксперименты с различными вариантами конструкций бета-вольтаических элементов. Усилия направлены на то, чтобы сделать производство атомных батарей не только эффективным, но и экономически выгодным. Потенциальные выгоды от повседневного использования атомных батареек огромны: от снижения зависимости от ископаемого топлива до повышения качества жизни миллионов людей.