Ученые разработали генераторы для работы на Марсе

Сотрудник лаборатории «Функциональные низкоразмерные структуры» НИТУ МИСиС, кандидат технических наук Александр Быков и аспирант кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников Ксения Кузьмина получили премию за работу, которая называется «Разработка и исследование радиационно-стимулированных элементов питания повышенного срока службы». Речь идет о генераторах электричества, работающих за счет распада радиоактивного вещества.

Процесс выработки электроэнергии похож на то, что происходит внутри солнечных батарей. Но есть и кардинальное отличие. Источник энергии — генератор β-частиц встроен в элемент. Попадая из радиоактивного материала в полупроводник, β-частицы генерируют электрический ток. Такой источник тока может работать непрерывно несколько лет и даже десятилетий. Это зависит от используемого радиоактивного элемента.

«Компактные и автономные источники питания с длительным сроком службы требуются в самых разных сферах, – пояснил Александр Быков. – Прежде всего, речь идет о независимых источниках электроэнергии в системах безопасности повышенной надежности. Например, на атомных электростанциях. Также такие элементы нужны для автономного питания спецтехники. Кроме того, автономный источник питания бесценен в космических аппаратах, при работе в труднодоступных местах (например, в условиях Крайнего Севера или на дне океана). Не менее важно медицинское применение, например, в медицинских имплантатах».

На таких же батарейках работает и марсоход Curiosity. И вполне возможно, что на них же будут работать генераторы электроэнергии первой марсианской колонии.

Чем больше выделяющейся от распада энергии удастся преобразовать в электричество, тем лучше. Можно сказать даже, что в каждом из перечисленных случаев эффективность критически важна. Эффективный преобразователь позволяет использовать меньше делящегося материала, уменьшить вес генератора при сохранении заданных параметров тока, уменьшить расходы на производство.

Разработки бета-вольтаических генераторов электрического тока ведутся во всех ведущих странах мира. Но Александру Быкову и Ксении Кузьминой под руководством профессора Сергея Леготина удалось создать технологию, которая стала прорывной. Они предложили конструкцию преобразователя, в которой при неизменной площади p-n перехода  площадь поглощающей поверхности увеличилась в 7 раз. На основании этой идеи и был разработан и сконструирован преобразователь а затем и источник питания. Более того, удалось провести испытания генератора, которые доказали эффективность работы в диапазоне температур от –100°С до +150 °С больше 20 лет. Все эти годы устройство удерживает напряжение на электродах 10 В, а частоту переменного тока на уровне 50 Гц.

«В наших разработках в качестве полупроводникового материала преобразователя используется алмаз, а в качестве рабочего элемента механо-электрического преобразователя – пьезоэлектрическая монокристаллическая консоль, – рассказывает Ксения Кузьмина. – Такое сочетание позволяет получать рабочее напряжение от 1,5 до 9 В при последовательно-параллельной сборке алмазных преобразователей и выше 9 В – при использовании механо-электрических преобразователей».

Как рассказал Александр Быков, им не пришлось работать с радиоактивными элементами непосредственно. Вместе с Ксенией Кузьминой они пытались создать эффективный преобразователь, который бы превратил ионизирующее излучение в электроэнергию. Получившийся преобразователь позволяет улучшить выходные параметры на 10-20% в зависимости от технологического исполнения. Срок службы преобразователя такой же, как у самого генератора излучения, то есть не менее 20 лет.

Результаты работы опубликованы как минимум в 20 научных статьях, трижды поддержаны через ФЦПИР, проект поддержала также корпорация «Росатом». И теперь у нового элемента есть все шансы полететь в космос. Более того, увеличение производительности β-вольтаических источников электроэнергии сразу на 20 % серьезно приблизило человечество к жизни в космосе и на других планетах, а также к планомерной работе в самых суровых условиях арктического шельфа, где тоже порой требуется многолетняя автономная работа приборов.