Олена Хавіна / МФТІ
Фізики оптимізували товщину шарів ядерної батарейки, що використовує для виробництва електричної енергії бета-розпад ізотопу нікелю-63. В одному грамі побудованій ними батарейки запасене близько 3300 милливатт-годину, це кращий результат серед нікелевих ядерних батарейок і він в десять разів перевершує щільність енергії, що запасається в звичайних хімічних елементах. Стаття опублікована в журналі Diamond and Related Materials.
звичайні батарейки , Які використовують для харчування годин, кишенькових ліхтариків, іграшок та інших порівняно невеликих автономних електричних приладів, отримують електричну енергію за допомогою хімічних реакцій. В ході цих реакцій, які називають окислювально-відновні , Заряд «перетікає» через електроліт з одного електрода на інший, і на електродах виникає різниця потенціалів. Якщо з'єднати кінці батарейки проводом, електрони будуть намагатися перерозподілитися так, щоб різниця потенціалів зникла - по дроту потече струм. Хімічні батарейки, які також називають гальванічними елементами , Мають високу ефективність (відношенням потужності створюваного струму до маси), але порівняно швидко розряджаються, і це помітно обмежує їх автономну роботу. Звичайно, при певній конструкції хімічних елементів їх можна перезаряджати (тоді їх називають акумуляторами), проте навіть в цьому випадку батарейку потрібно якось з'єднати із зарядним пристроєм, що іноді не дуже зручно - наприклад, якщо вона забезпечує харчування кардіостимулятора. Очевидно, що зупинити його роботу, щоб замінити елемент живлення, неможливо.
На щастя, електричну енергію можна отримувати не тільки в хімічних реакціях. Близько шістдесяти років тому, в 1953 році, Пол Раппапорт помітив , Що для отримання електроенергії можна використовувати бета-розпад радіоактивних елементів. В ході цього розпаду ядра елементів випускають бета-частинки (електрони або позитрони), які можуть іонізувати речовину електродів і створити на них різниця напруги. Засновані на цьому принципі елементи назвали бета-вольтіческімі. Головною перевагою таких елементів перед гальванічними виступає їх довговічність - період напіврозпаду деяких радіоактивних ізотопів може становити десятки років, отже, потужність елемента буде залишатися незмінною протягом усього цього періоду. На жаль, ефективність бета-вольтіческіх генераторів сильно поступається хімічним. Проте, радіоактивні генератори все-таки використовували в 70-х роках для харчування кардіостімулятров, однак згодом їх витіснили літій-іонні акумулятори, дешевизна виготовлення яких переважила довговічність бета-вольтіческіх елементів.
Група вчених з МФТІ, ФГБНУ ТІСНУМ і МИСиС під керівництвом Володимира Бланка придумала спосіб майже на порядок підвищити ефективність такої ядерної батарейки. У побудованому ними елементі бета-частки випускаються радіоактивним ізотопом нікелю-63, а в якості поглинача виступали алмазні бар'єри Шотткі . Ефективність батарейки склала приблизно десять мікроват на сантиметр кубічний, а сумарна потужність досягла одного мікровата - такої потужності достатньо, щоб живити кардіостимулятор. У той же час, період напіврозпаду нікелю-63 становить близько ста років. Отже, в одному грамі батарейки запасене близько 3300 милливатт-годину, що в десять разів перевищує енергію звичайної хімічної батарейки.
Схема пристрою «ядерної батарейки» (зліва): червоним відзначені шари нікелю-63, світло-сірим - алмазна осередок, темно-сірим - бар'єр Шотткі, що виникає на її кордоні з металом, жовтим і зеленим - електричні контакти. Фотографія виготовленої батареї (праворуч)
V. Bormashov et al. / Diamond & Related Materials
Побудована дослідниками ядерна батарейка складається з двохсот осередків, в яких радіоактивні пластинки нікелю-63 чергується з алмазними бар'єрами, підкладками і електричними контактами. Ефективність роботи окремого осередку визначається товщиною нікелевої фольги і алмазного шару, який поглинає частинки і іонізується. Справді, якщо товщина нікелевої пластинки занадто велика, бета-частинки не встигають її покинути; з іншого боку, сильно зменшувати товщину теж не вигідно, оскільки разом з нею зменшується число вироблених частинок. Схожі аргументи вказують на те, занадто велика або занадто маленька товщина алмазного бар'єру теж не вигідні. Тому вчені чисельно змоделювали кожен з шарів і знайшли їх оптимальну параметри: виявилося, що найефективніше нікелева платівка працює при товщині близько двох мікрометрів, а алмазний бар'єр - при товщині близько 10 мікрометрів.Залежність інтенсивності вихідного від нікелевої фольги потоку частинок (a) і ефективності поглинання алмазного шару (b) від їх товщини. Видно, що в разі (a) насичення відбувається при товщині близько двох мікрометрів, а в разі (b) - при товщині близько десяти мікрометрів
V. Bormashov et al. / Diamond & Related Materials
Потім вчені виготовили діелектричні шари потрібної товщини, розрізаючи лазером, поліруючи і відпалу алмазні кристали, і приклеїли до них нікелеву фольгу, підкладку і електричні контакти. Кожна осередок генерувала струм силою всього кілька наноампер, тому фізики з'єднали їх паралельно. В результаті батарея створювала напругу порядку одного вольта, а сила виробленого струму трималося на рівні одного мікроампера. Найбільша електрична потужність W ≈ 0,93 мікроват досягалася при напрузі V ≈ 0,93 вольт, силі струму I ≈ 1,02 мікроампера і навантаженні на батарею Ω ~ 70 кіло на кубічний сантиметр. Така потужність відповідає щільності енергії близько 3300 милливатт-годину на грам, що в десять разів перевищує щільність створених раніше ядерних батарейок на основі нікелю-63 і в стільки ж разів перевершує звичайні хімічні батарейки.Залежність сили струму і вихідної потужності, що видається батареєю, від напруги (a). Залежність вихідної потужності від опору підключеного до батареї навантаження (b)
V. Bormashov et al. / Diamond & Related Materials
Зауважимо, що бета-вольтіческіе батарейки не слід плутати з радіоізотопними термоелектричними генераторами (Скорочено РІТЕГ), які теж іноді називають радіоактивними батареями. У цих генераторах енергія радіоактивних розпадів використовується для нагрівання різних точок батареї і створення перепаду температур, який потім конвертується в електричний струм за допомогою термоелектричних елементів. В результаті ефективність РІТЕГ становить всього кілька відсотків. Проте, через свою довговічності радіоізотопні генератори широко використовуються для харчування космічних апаратів - наприклад, зонда New Horizons або марсохода Curiosity . Раніше РІТЕГ також встановлювали на радіомаяки і метеостанціях, розташованих у важкодоступних областях, проте зараз цю практику припинили через ризик витоку і радіаційного забруднення.
У 2016 році вчені з МФТІ, МИСиС і НВО «Луч» вже повідомляли про розробку прототипу ядерної батарейки на основі бета-розпаду нікелю-63. Також бета-вольтіческіе генератори, які використовують алмази для поглинання частинок, що утворюються в ході розпаду вуглецю-14, розробляють фізики з університету Брістоля.
Дмитро Трунин
