Создание портативного одноразового источника питания, срок службы которого измерялся бы не сутками или месяцами, а годами, прежде покорилось специалистам Корнельского университета. Элемент питания, в качестве базы для которого был выбран радиоактивный изотоп никеля-63, мог похвастаться непрерывным сроком службы до 50 лет. Но, разумеется, не обошлось и без существенных ограничений в номинальных параметрах «ядерной батарейки». Всё дело в том, что принцип, на котором строится работа таких устройств — сопровождающее распад никеля-63 испускание электронов для последующего заряда медной пластины — не позволял добиться серьёзной мощности источника питания. В итоге указанная характеристика для ядерных батареек находилась на уровне нескольких милливатт, что накладывало ряд существенных ограничений при её эксплуатации.
Решением описанной проблемы активно занялись учёные Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», которые вчера рапортовали о достигнутых успехах. Им удалось изготовить прототип уникальной «ядерной батарейки», способной, как и её предшественник родом из США, питать определённую электронику на протяжении 50 лет.
Как рассказали в «МИСиС», спроектированная ими «ядерная батарейка» обладает огромным потенциалом и имеет широкий спектр потенциально возможного применения, начиная от использования разработки в медицинском оборудовании и миниатюрных приборах для поддержания жизнедеятельности, заканчивая размещением такого источника питания в космических аппаратах. Команде инженеров под руководством профессора Юрия Пархоменко удалось воплотить на практике концепцию преобразования энергии бета-излучения в электрическую на основе монокристаллов пьезоэлектриков. Этот принцип и лёг в основу показанного образца автономной бета-вольтаической батареи переменного напряжения, первичным источником энергии для которой послужил хорошо знакомый изотоп никель-63.
Излучение выбранного в качестве источника электронов изотопа, несмотря на свою радиоактивность, характеризуется периодом полураспада в 100 лет и не несёт какой-либо угрозы для здоровья биологических организмов. Но главной особенностью прототипа отечественного производства стало применение импульсных источников питания для накопления и последующей отдачи заряда. За счёт этого учёные сумели обойти главный недостаток бета-вольтаической «ядерной батарейки» — их крайне малую мощность, сильно сужавшую сферы дальнейшего эффективного применения.
«В импульсном режиме один бета-вольтаический элемент способен выдавать мощность вплоть до 1 мВт/см 3 . При низких удельных мощностях энергетического материала батарейка, собранная на их основе, способна обеспечивать непрерывную выходную мощность 10-100 нВт/см 3 — достаточную, чтобы обеспечить питание кардиоимплантата», — объяснил технические особенности продемонстрированного решения господин Пархоменко.
Инновационная российская «ядерная батарейка», ставшая реальностью благодаря усилиям сотрудников «МИСиС», обладает всеми необходимыми для начала серийного производства и скорейшего внедрения технологии преимуществами. Здесь и сверхмалые габариты источника питания, и отсутствие пагубного влияния энергетического материала, и длительный срок эксплуатации в несколько десятков лет. Однако дойдёт ли дело до выпуска коммерческого образца — покажет время.
Ученые из НИТУ "МИСиС", МФТИ и НПО "Луч" разработали новую технологию создания "ядерных батареек" на основе радиоактивного изотопа никель-63, которые могут найти применение в разных областях - от медицины до космических исследований, сообщила пресс-служба вуза.
Группой российских ученых под руководством заведующего кафедрой полупроводников и диэлектриков МИСиС, профессора Юрия Пархоменко разработана технология создания преобразователей энергии бета-излучения никеля-63 в электрическую энергию на основе монокристаллов пьезоэлектриков для использования в составе автономных бета-вольтаических батарей переменного напряжения.
В эфире радио Sputnik Юрий Пархоменко рассказал о новой разработке.
"Изобретена не просто батарейка, а ядерный генератор переменного напряжения длительного срока службы. Почему ядерный? В нем используется процесс бета-распада, а это один из видов радиоактивного излучения. Но, несмотря на это, он абсолютно безопасен. В нашем случае это мягкое бета-излучение. Электроны легко задерживаются даже корпусом прибора. В этом генераторе энергия ядерного распада преобразуется в энергию механических колебаний, которая затем преобразуется в электрическую энергию с помощью пьезокристалла. Такой генератор перспективен и сроком службы - не менее 50 лет, и очень широким диапазоном рабочих температур. Он может работать в диапазоне от минус 100 по Цельсию до плюс 200. Также у него маленький размер: ширина - где-то сантиметр, а ширина и высота по полсантиметра", - сказал Юрий Пархоменко.
По его словам, область применения таких генераторов очень широкая.
"Где его можно использовать? В основном для питания различных датчиков, не подлежащих регулярному техобслуживанию. Это труднодоступные районы Земли - Крайний Север, Арктика, а также авиакосмическая техника, дальний космос, ядерная техника, атомные электростанции. Это и спецтехника, включая системы контроля и безопасности, датчики, которые устанавливают на границах", - сказал профессор.
Он отметил, что производство "ядерных батареек" на сегодняшний момент достаточно дорогостоящее, однако со временем их цена будет снижаться.
"В генераторе где-то 90% - это цена изотопа никеля-63. Его получают на предприятиях "Росатома", и стоимость одного грамма составляет где-то полмиллиона рублей. Для нашего прибора нужен один миллиграмм. Стоимость пять тысяч рублей - это дорого. Но сейчас серийно этот генератор не выпускается. Мы сделали только прототип, опытный образец. К концу года будет внедрение в производство. Если мы найдем широкое применение, тогда наладится производство и этого изотопа, и цена будет дешевле", - заключил профессор.
Сорок лет назад был создан первый мобильный телефон, а сегодня уже изобретена атомная батарея для него. Технологический прогресс в последние годы идет настолько уверенно, что на прилавках магазинов электроники появляются такие новинки, о которых еще совсем недавно писали фантасты.
Как вы считаете, сколько способен продержаться без подзарядки современный смартфон? Среднее время автономной работы подобного устройства составляет 1-3 суток. А если его оснастить аккумулятором, работающим на основе реакции трития, то это время можно будет растянуть до 20 лет!
Неужели телефоны могут работать на атомных аккумуляторах?
Подобная идея среди ученых появилась относительно недавно. По их предположению, использование атомной энергетики в работе современных гаджетов может решить множество проблем, связанных с постоянной необходимостью подзарядки.
Тритий является радиоактивным веществом, но его излучение слишком слабое. Оно неспособно навредить здоровью человека. От него не пострадает ни кожа, ни внутренние органы – это известно ученым с незапамятных времен. Именно радиоактивный тритий выступает своего рода топливом, которое будет содержаться в этих батареях.
Батарея представляет собой интегральную микросхему, источником энергии которой является ядерная реакция трития. Такой принцип работы позволяет производить 0.8 – 2.4 ватт энергии. И этот уровень вырабатываемой электроэнергии может поддерживаться на протяжении 20 лет, при этом радиоактивную батарею не придется подзаряжать.
Многие не подозревают, что тритий уже давно используется во многих сферах производства. Каждый из нас видел, либо носил часы, стрелки которых отчетливо светятся в темноте. В большинстве случаев для создания такого эффекта используется именно этот радиоактивный элемент. Он не получил распространения в основной сфере атомной энергетики из-за своего минимального радиоактивного излучения.
Среди особенностей аккумулятора, которому посвящен сегодняшний обзор, следует также выделить его устойчивость к внешним факторам. Он отлично работает при резких перепадах высоты, давления и температуры, а также демонстрирует хорошую стойкость при сильных вибрациях. Что касается температуры, то ее диапазон составляет от -50 до +150 градусов по Цельсию.
Несмотря на то, что эта идея еще не внедрена в производство, известна приблизительная стоимость атомной батареи - 124 доллара. Но далеко не каждый человек, даже если ему нужна высокая производительность его телефона, согласится на ношение в своем кармане крохотного радиоактивного источника энергии.
Сегодня атомную батарейку уже можно купить в интернете. Во всяком случае такие предложения есть. За эту экзотику, произведенную, к примеру, в США, нужно выложить 1000 долларов. Китайская обойдется дешевле. Зачем нужны столь супердорогие "игрушки"?
Главное достоинство - долговечность. Срок службы может быть и 20, и 50, и 100, и даже тысяча лет. Все зависит от периода полураспада радиоактивного изотопа - источника энергии. Отсюда и возможные области применения. Конечно, медицина, прежде всего кардиостимуляторы. Химические батарейки разряжаются, их приходится периодически менять. С "вечным" источником энергии такой проблемы вообще нет. Еще сфера применения - космос. С атомной батарейкой можно отправляться в дальние миссии, не думая о том, чем питать электронику.
Но все это пока действительно экзотика. И причина не только цена. Характеристики атомных батареек далеки от требуемых. Речь прежде всего о низкой удельной мощности и низком КПД, что предельно ограничивает сферу применения. Как изменить ситуацию? Над этим бьются в ведущих лабораториях мира. И здесь работа группы российских ученых из МФТИ, ФГБНУ "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" и МИСиС может стать прорывом. Ими создана батарейка, у которой удельная мощность и КПД в 10 раз выше, чем у всех созданных на сегодня аналогов. За счет чего это удалось?
Источником энергии у нас служит изотоп никель-63 с периодом полураспада около 100 лет, - говорит руководитель разработки доктор физико-математических наук Владимир Бланк. - Этот изотоп испускает бета-частицы, которые создают электрический ток в полупроводнике из алмаза. Ноу-хау нашей разработки именно в этом материале. Его уникальные свойства позволили на порядок улучшить параметры атомной батарейки.
Бланк подчеркивает, что хотя, с одной стороны, алмаз имеет ряд привлекательных качеств, но никто из конкурентов с ним не работает. Достаточно сказать, что в созданном нашими учеными устройстве толщина полупроводников из алмаза должна быть как у обычного полиэтиленового пакета - несколько десятков микрон. Как "настрогать" такие тонкие пластины из самого твердого минерала во Вселенной? Российским ученым удалось решить проблему, создать оригинальную технологию обработки алмаза.
Наша ядерная батарейка это своего рода слоеный пирог, между 200 алмазными полупроводниками установлены 200, изготовленных из никеля-63, источников энергии, - говорит Бланк. - Высота батарейки 3-4 миллиметра, вес 250 миллиграмм. Это в разы меньше, чем у всех современных аналогов.
Такие габариты - еще один плюс российской разработки. Расчеты показывают, что все известные на данный момент прототипы ядерных батарей имеют лишний объем. Вообще поиск оптимальных размеров - очень непростая задача. Если толщина изотопа слишком велика, рождающиеся в нем электроны не смогут его покинуть. С другой стороны, сильно уменьшать толщину тоже невыгодно, поскольку уменьшается число бета-распадов в единицу времени. Аналогичная ситуация и с толщиной полупроводника.
Чтобы найти максимум параметров, мы построили модель движения электронов в изотопе и полупроводниках, - говорит Бланк. - Оказалось, что эффективнее всего батарейка работает при толщине изотопа около двух микрон, а алмазного полупроводника 10 микрон.
По словам Бланка, достигнутая рекордная удельная мощность - это не предел. Ученые знают, как ее повысить еще минимум в три раза. Понятно, что чем она выше, тем больше сфер применения атомной батарейки. И ниже цена, ведь она уменьшается при масштабном серийном выпуске. Впрочем, по мнению Бланка, даже сейчас при разумной организации производства цена такой батарейки сравнима с ценой химических источников питания, которые применяются в кардиостимуляторах. Атомные батарейки безопасны для человека, так как излучение полностью поглощается внутри корпуса.
Инфографика "РГ": Антон Переплетчиков / Юрий Медведев
Мобильные телефоны появились около сорока лет назад. Прогресс не стоит на месте. Вряд ли в те времена кто-то мог мечтать о том, что когда-нибудь появится атомная батарейка для телефона. Прогресс позволил добиться существенных прорывов во многих сферах, особенно в последнее время. Данный обзор будет посвящен применению атомных аккумуляторов в современных электронных устройствах.
Современные технологии
Рынок электроники является одним из наиболее перспективных направлений. С каждым годом эта сфера развивается все более динамично. Еще недавно в продажу поступили iPhone 3, а сегодня уже можно купить iPhone 8. Специалистам пришлось пройти большой путь, чтобы порадовать пользователей совершенными с аппаратной точки зрения устройствами. Это же касается Windows Phone и Android. Несколько лет назад телефон на базе ОС Android был чем-то удивительным.
Все дети мечтали поиграть в игры, где управлять действиями главного героя можно было путем поворота экрана. Этим сегодня уже трудно удивить. Даже первоклашки используют iPhone и не чувствуют от этого особого восторга. Они уже не смогут понять, что раньше существовали телефоны, функционирующие на основе кнопочного управления, а что еще ужаснее, на телефонах того времени было всего 2-3 примитивных игры. Тогда для детей даже змейка на монохромном дисплее была поводом для безмерного счастья. Играть в нее могли круглыми сутками. Игры в то время были не такими качественными. Использовать такие телефоны можно было в течение нескольких дней, не применяя при этом зарядку.
Атомная батарея - отличное решение для долгих игр
Игры на смартфонах с каждым годом выходят на более высокий уровень. Поэтому устройствам требуются более сильные аккумуляторы. Сколько сегодня способен продержаться наиболее мощный смартфон с огромным ресурсом автономной работы? При пассивном использовании такое устройство продержится не больше трех дней. Именно по этой причине инженеры и решили поднять вопрос о создании атомного аккумуляторного элемента. Сегодня в смартфонах в качестве источников питания обычно применяются литий-ионные батарейки. Реже встречаются элементы, функционирующие на полимерных аккумуляторах. Такие телефоны на самом деле не выдерживают продолжительного функционирования. Играть или смотреть на них фильмы можно всего несколько часов.
Может ли использоваться атомный аккумулятор в смартфонах?
Большинство компаний, занимающихся производством смартфонов, соревнуются по следующим показателям:
- диагональ экрана;
- быстродействие;
- габариты (как правило, борьба идет за уменьшение толщины устройств);
- длительность автономной работы устройства.
В настоящий момент вопрос о том, как может использоваться атомная энергия для создания современных смартфонов, остается актуальным. По предположениям ученых, уже в ближайшем будущем появятся устройства, которые можно будет оборудовать аккумуляторами, функционирующими по принципу реакции ядерного элемента. В этом случае телефоны будут функционировать без дополнительной зарядки до 20 лет. Такое время автономной работы не может не впечатлять.
Как возникла идея создания батареи?
Атомная батарейка - довольно-таки современная разработка XXI века. Однозначно, данное изобретение открыло огромное количество возможностей в деятельности как наземных, так и космических областей деятельности. Но действительно ли она не приносит вреда здоровью, как об этом везде говорят?
Идея появления небольших атомных реакторов относительно недавно получила большое распространение. Ученые выдвинули предположения о том, что такая батарейка для телефона позволит избавиться от проблемы необходимости подзарядки. О первом прототипе батарейки, использующей в своей работе атомную энергию, заговорили на отечественном предприятии «Росатом». Никакой определенной конкретики не было. Как говорят инженеры, первый компактный атомный реактор может быть изготовлен в 2017 году. Принцип действия такой батарейки будет состоять в использовании энергии химических реакций, происходящих при участии изотопа никеля. Если говорить более точно, речь идет о бета-излучении. Интерес представляет тот факт, что батарейка, созданная по данному принципу, будет работать в течение 50 лет. Размер такого элемента будет достаточно компактный. Чтобы иметь представление о том, какие габариты будет иметь атомный аккумулятор, достаточно представить себе, что простую батарейку уменьшили в 30 раз.
Безопасность применения батареи
Что касается безопасности, то эксперты уверены в том, что атомный аккумулятор не будет оказывать негативного воздействия на организм человека. Повод для такой уверенности дает уникальная конструкция. Прямое бета-излучение, без всяких сомнений, негативно сказывается на всех живых организмах. Однако стоит учитывать, что в таких аккумуляторах оно будет «мягким». Даже если такое излучение не выйдет наружу, оно будет поглощено внутри аккумуляторного элемента. Поскольку атомная батарейка будет способна поглощать излучение внутри, не давая ему выйти наружу, специалисты сегодня делают прогнозы на применение таких аккумуляторных устройств в медицинской сфере. К примеру, такие батарейки могут использоваться в конструкциях кардиостимуляторов.
Еще одним перспективным направлением использования таких батареек является аэрокосмическая отрасль. Промышленность стоит на третьем месте. Кроме этих основных отраслей, существует еще множество дополнительных проектов, в которых можно будет применять атомную батарею. Одним из важнейших направлений может стать транспортная отрасль.
Основные недостатки
Что же нам дает атомная батарейка? Преимущества и недостатки данного элемента питания будут подробно рассмотрены далее. Прежде всего, стоит отметить, что производство таких автономных источников энергии может стоить достаточно дорого. Научные работники и инженеры пока не решаются назвать точную стоимость такой разработки. Возможно, они просто боятся сделать поспешные выводы. Но есть приблизительная оценка.
Если говорить доступным языком, такая технология будет стоить очень дорого. Этого вполне стоило ожидать, если немного логически поразмыслить. Пожалуй, еще слишком рано думать о выпуске таких элементов питания в промышленных масштабах. Остается только надеяться, что ученым удастся найти альтернативные технологии, которые помогут разработать недорогой мобильный атомный реактор без угрозы радиационного заражения. И скорее всего, произойдет это в ближайшем будущем.
Многих интересует, сколько стоит атомная батарейка. Пока приводятся лишь предварительные оценки стоимости одного грамма активного вещества такой батарейки: 4000 долларов. Получается, что на производство одного такого аккумуляторного устройства нужно будет затратить примерно 4,5 млн рублей. Главная трудность связана с получением самого изотопа. В чистом виде в природе он не встречается. Для его создания необходимо использовать специальные реакторы. У нас в стране работает всего три таких реактора. Возможно, со временем будет разработана технология, позволяющая использовать для производства другие элементы, что позволит снизить расходы на производство данного элемента.
Принцип действия аккумулятора
Не только специалисты бьются над проблемой создания атомной батарейки. Недавно молодой ученый из Томска создал прототип аккумулятора, функционирующего на основе ядерной реакции. Как же работает такая атомная батарейка? Принцип работы данной разработки заключается в использовании изотопа трития. При правильном применении можно направить энергию, получаемую во время полураспада этого элемента, в верное русло. Атомная батарейка на базе трития будет работать в правильном режиме в течение 12 лет. Причем за этот промежуток времени аккумулятор не нужно будет подзаряжать. Стоит также отметить, что энергия высвобождается небольшими порциями.
Тритий: преимущества
Какие преимущества даст атомная батарейка для телефона? На сколько хватит такого аккумулятора? Устройство на базе трития со временем не изменит своих первоначальных свойств. Это является неоспоримым преимуществом. Изобретение было протестировано в Институте ядерной физики в Новосибирске. Также опытная модель была опробована в Томском университете.
Аккумулятор на базе никеля
Сотрудники ФГУП «Горно-химический комбинат» высказали готовность изготовить опытный образец атомного аккумулятора на базе никеля. Главным действующим компонентом в такой батарейке выступает изотоп никеля. Данный элемент способен обеспечить автономную работу электроники в течение полувека. Принцип работы аккумуляторного элемента основан на бета-вольтаическом эффекте. Он чем-то напоминает фотоэлектрический эффект. Пары «электро-дырка» в полупроводниковой решетке образуются за счет влияния бета-частиц. Для получения изотопа никеля 63 мишени никель-62 облучают.
Помимо продолжительного времени работы, к преимуществам таких аккумуляторных батарей можно будет отнести компактные размеры. При этом данные элементы питания будут совершенно безопасны для здоровья. Такие достоинства делают атомные батареи особенно привлекательными для многих сфер человеческой деятельности.
Перспективы применения аккумулятора
Атомная батарейка, которая функционирует на основе ядерной реакции, имеет огромные перспективы использования. Такое устройство будет особенно полезно в сфере электроники. Однако оно может использоваться не только как батарейка для телефона. Компактный реактор наверняка найдет применение в военной и аэрокосмической отраслях, а также в медицине.
В заключение
Атомные батарейки - это невероятное достижение науки, так как только такие технологии современного мира могут выдерживать высокие и низкие температуры, работая в различных условиях.
Несмотря на относительно высокую стоимость производства атомных батареек, нам остается только надеяться на то, что мы сможем увидеть такие изделия в новейших моделях телефонов. Вызывает определенные вопросы только элемент, который будет взят за основу такого аккумулятора. Конечно, по своей природе тритий является ядерным элементом. Но он все же имеет достаточно слабое излучение. Это вещество не нанесет вред человеческому организму. При правильном использовании аккумулятора кожа и внутренние органы не пострадают. Именно по этой причине данный элемент сегодня выступает в качестве наиболее вероятного кандидата для создания компактной атомной батарейки.
