Новая ядерная батарейка может работать десятилетиями в космосе и под водой

Начиная с 1900-х годов, через некоторое время после открытия радиоактивности, ученые пытались создать долговечные и устойчивые к повреждениям батарейки, которые вырабатывали бы электроэнергию за счет энергии распада радиоактивных изотопов. Во второй половине XX века появились первые прототипы таких батареек, которые в основном работали на бета-излучении радиоактивных изотопов и полупроводниках: изотоп испускает частицы, которые затем попадают на полупроводники, последние преобразуют частицы в энергию. 

Устройства на основе бета-вольтаических элементов начали применять в медицине, космической технике и в системах, где замена обычных батарей затруднена или даже невозможна, например в арктических маяках. 

Однако подобного рода устройства оказались не слишком эффективными. Главный минус бета-вольтаических элементов — они дают довольно слабый электрический ток. Такими батарейками невозможно питать большие установки, только миниатюрные приборы. Для питания чего-то мощного необходимо большое количество бета-вольтаических элементов.

С развитием науки ученые придумали новые способы, позволяющие улучшить качество преобразования энергии изотопа в ток. Одна из таких технологий — использование альфа-излучения, то есть изотопов, испускающих альфа-частицы. 

КПД батареек на основе альфа-излучения в несколько раз выше, чем бета-вольтаических элементов, но и у первых есть свои недостатки. В таких батарейках применяются нестандартные конструкции с дорогостоящими комплектующими, отчего их разработки продвигаются медленно. 

Команда китайских инженеров под руководством Шуао Вана (Shuao Wang) из Университета Сучжоу придумала недорогой способ преобразования альфа-излучения в электрический ток. Они разработали миниатюрную ядерную батарейку, в которой использовали относительно дешевые компоненты. Об этом ученые рассказали в статье, опубликованной в журнале Nature. По заверениям авторов научной работы, эффективность их батарейки в восемь тысяч раз выше старых бета-вольтаических элементов. 

За основу исследователи взяли химический элемент америций (Am) — один из самых радиотоксичных и долгоживущих компонентов отработавшего ядерного топлива. Изотопы америция, распадаясь, испускают альфа-частицы, которые несут в себе много энергии, но быстро теряют ее в окружающей среде. Поэтому ученые встроили америций в полимерный кристалл, который преобразовал эту энергию в устойчивое и стабильное оптическое зеленое свечение.

Затем Ван и его коллеги соединили этот кристалл с тонким фотопреобразователем — устройством, преобразующим свет в электричество. Наконец, полученную ядерную батарейку «упаковали» в кварцевую оболочку миллиметрового размера.

По словам Вана, в течение 200 часов испытаний устройство стабильно вырабатывало электричество с беспрецедентной эффективностью, причем для работы батарейки требовалось лишь минимальное количество радиоактивного материала.

Период полураспада самого долгоживущего изотопа америция — AM-243 — почти 7,4 тысячи лет. Несмотря на такую долговечность, новая ядерная батарейка сможет работать на протяжении нескольких десятилетий, поскольку ее компоненты в итоге будут разрушены гамма-излучением (альфа-излучение довольно интенсивно и часто сопровождается гамма-излучением).

Батарейка, разработанная китайскими инженерами, значительно улучшит общую эффективность преобразования альфа-излучения в электрический ток и выходную мощность по сравнению с предыдущими образцами. Однако она все равно производит гораздо меньше энергии, чем традиционные источники: всего лишь 139 микроватт. Например, для питания лампы накаливания в 60 ватт потребуется кластер из огромного количества таких устройств.

Ван с коллегами уже работает над повышением эффективности и выходной мощности своей системы. Также ученые планируют сделать ядерную батарейку более простой и безопасной в использовании, ведь в ней содержатся опасные радиоактивные материалы.

Команда инженеров надеется, что в будущем их разработку можно будет использовать для питания небольших датчиков, работающих в сложных условиях, где традиционные источники энергии непрактичны: например, при глубоководных исследованиях, космических полетах или в приборах, предназначенных для удаленного управления и мониторинга.