Новая батарейка преобразует энергию радиоактивного распада в электрическую и может использоваться для питания микроэлектронной аппаратуры. Действительно ли она безопасна для человека и будет ли производство батареек дорогим, рассказывает доцент кафедры радиохимии химического факультета МГУ Владимир Петров.
Управа района Ростокино города Москвы
- Российские ученые разработали технологию "вечной" ядерной батарейки - Общество
- Почему ядерные батарейки так и не стали популярны? История почти забытой технологии
- Создана первая в мире «вечная» батарейка. Она стоит дешевле литиевых аккумуляторов. Видео
- Ядерные батареи будущего
- Похожие статьи
Российские ученые создали батарейку из плутония, которая может работать вечно
Действительно ли она безопасна для человека и будет ли производство батареек дорогим, рассказывает доцент кафедры радиохимии химического факультета МГУ Владимир Петров. Кстати, по подсчётам зарубежных учёных, можно будет изготавливать «алмазные» батарейки, период разряда которых составит 7000 лет! Заново изобрели электричество: батарейка с сердечником из ядерных отходов будет работать 28 тысяч лет. Год 1775 оказался для физики по-своему судьбоносным: «бессмертные» Парижской академии наук, заваленные проектами вечных двигателей, отказались их.
«Вечные» батарейки и аккумуляторы
Такой элемент питания может использоваться, по мнению разработчиков, в самых разных видах техники, начиная от носимых устройств и мобильных гаджетов и заканчивая средствами передвижения — поездами, электромобилями и даже самолетами. Как работают такие батареи В основе работы бета-гальванических батарей лежит принцип преобразования альфа- и бета-излучений радиоактивного вещества в обычный электрический ток, питающий всю современную технику. Как заверил Нима Голшарифи, созданным компанией источникам энергии можно придавать практически любую форму, другими словами, их можно выпускать в виде привычных многим батареек различных форматов — АА, 18650, CR2032 и др. Батарейка Nano Diamond Battery может работать тысячелетиями Конструкция бета-гальванической батареи состоит в первую очередь из радиоактивного сердечника, который выступает в качестве источника изотопов. Нима Голшарифи подчеркнул, что сердечник изготавливается из небольшого количества переработанных ядерных отходов. Для того чтобы сделать батареи безвредными для людей и окружающей среды, специалисты Nano Diamond Battery покрыли «фонящий» сердечник специальными нерадиоактивными синтетическими алмазами, выращенными в лабораторных условиях. Это очень дешевые в производстве аналоги обычных алмазов. Изотопы радиоактивного элемента в процессе так называемого «неупругого рассеяния» взаимодействуют с алмазным покрытием, и в итоге энергия бета-излучения преобразуется в электрический ток.
В России из него придумали делать наноструктурированный электродный материал. А поскольку бусофит — это углеволокнистая ткань, аккумулятор из него получается очень тонкий и легкий. В перспективе это позволит сделать смартфоны и другие гаджеты вообще невесомыми. Ведь аккумулятор — это почти всегда самая тяжелая деталь в техническом устройстве. Однако сейчас ученые еще дорабатывают конструкции аккумуляторов нового типа и технологии их изготовления, чтобы повысить рабочие характеристики и безопасность при эксплуатации. Ожидается, что с новым аккумулятором смартфон даже при условии его многочасового ежедневного использования можно будет заряжать всего раз в неделю. При этом служить гаджет будет гораздо дольше.
Новое устройство представляет собой компактный аппарат размером с книгу. Электроды, закрепляемые на пациенте, считывают показатели, пока тот выполняет специальный комплекс упражнений. Одновременно встроенное программное обеспечение сопоставляет физическую нагрузку с исследованием кровотока и передает данные на компьютер врача.
Разработку уже активно испытывают, скоро будет запущен ее серийный выпуск. Подпишитесь на нас.
Невероятно, но в России создана «Вечная батарейка»!
“Безотходное” производство “вечных” батареек нельзя назвать фантастически дорогим, как о вероятном производстве “атомных аккумуляторов” сегодня рассуждают ведущие специалисты. Поскольку «вечный» аккумулятор не изнашивается так быстро, ему ведь нужно реже питаться. «Использование биотопливного элемента (БТЭ) позволит предотвратить подобные оперативные вмешательства по замене аккумулятора, так как механизм использует в качестве топлива.
Без зарядки 50 лет: в Китае разработали ядерную батарею
Вечная батарейка для кардиостимуляторов будет работать на глюкозе. Стартап из Поднебесной Betavolt представил атомную батарейку, живущую без подзарядки 50 лет. Вечная батарейка. Российские ученые нашли способ продлить работу этого зарядного устройства. Год 1775 оказался для физики по-своему судьбоносным: «бессмертные» Парижской академии наук, заваленные проектами вечных двигателей, отказались их.
Вечные батарейки: новые изобретения ученых из Поднебесной очистят планету
Исследователи и учёные из Технического университета Вены изобрели аккумулятор принципиально нового типа. Над созданием этой "вечной батарейки" в течении 8-ми лет работала большая команда учёных Роскосмоса и Росатома. Ученые представили новую разработку — ядерную батарейку, которая не превосходит по размерам монету. “Безотходное” производство “вечных” батареек нельзя назвать фантастически дорогим, как о вероятном производстве “атомных аккумуляторов” сегодня рассуждают ведущие специалисты.
Алмазы на кухне. Челябинец изобрел вечную батарейку для смартфона
Пока не ясно, какими испытаниями этот срок установлен, но он заявлен производителем в анонсе [6]. Также непонятно, нужны ли батареи со столь длительным сроком эксплуатации в смартфонах: нередко пользователи меняют устройства на более новые и функциональные каждые 1—2 года. Остаётся загадкой и то, насколько потребители готовы к использованию «карманного ядерного реактора», несмотря на гарантии безопасности. Предпосылки к созданию миниатюрного, пусть пока и маломощного, ядерного энергетического модуля известны ещё в ХХ веке, когда учёные СССР и США разработали электронную технологию для использования в космических кораблях, подводных системах и удалённых научных модулях-станциях, однако термоядерные батареи позиционировались как дорогостоящие и громоздкие. Стремление к миниатюризации и коммерциализации ядерных батарей предпринято в рамках 14-го пятилетнего плана Китая, призванного укрепить экономику страны в период 2021—2025 гг. Надо отметить, что научные коллективы в США и Европе также работают над разработкой подобных батарей. В пресс-релизе сообщается, что новая энергетическая инновация поможет Китаю получить преимущество в новом раунде технологической революции искусственного интеллекта [6]. Пока новейшая разработка находится на стадии пилотных испытаний, создатели первой портативной ядерной батареи утверждают, что будут работать над созданием к началу 2025 года аккумуляторной батареи мощностью 1 Вт. Применение нетрадиционных источников питания в качестве селективно излучающих систем в инфракрасном диапазоне позволяет увеличить эффективность их работы, ибо часть энергии безвозвратно превращается в тепловую. Это более чем в 2 раза превосходит КПД преобразования радиоизотопных источников питания, выполненных по технологии радиоизотопных термоэлектрических генераторов РИТЭГ. Также было проведено исследование технических характеристик прототипа, разработан комплект конструкторской документации для масштабирования, отработана технология преобразования тепловой энергии ядерного распада в электричество с помощью термофотовольтаических преобразователей, позволяющих работать в ближнем ИК-диапазоне.
Такие же разработки в настоящее время активно ведутся в США и Европе для аппаратов исследования космоса. Увеличение КПД солнечных элементов питания посредством использования термофотовольтаических материалов — новый импульс к совершенствованию ядерных батарей. Поэтому путь создания высокоэффективных радиоизотопных источников энергии представляет собой поиск новых или модифицированных материалов, по своим полупроводниковым свойствам способных заменить кремний, германий и другие узкозонные полупроводники. Источник питания на плутонии-238 Созданный в Национальном исследовательском ядерном университете НИЯУ «МИФИ» прототип источника электроэнергии на плутонии-238 мало похож на пальчиковые батарейки или аккумуляторы мобильных телефонов. Это состоящее из нескольких технологических слоёв 30-килограммовое устройство с многочисленными разъёмами [4]. Стремление к тому, чтобы добиться крайне продолжительной работы данного источника, прямо связано с предназначением и условиями эксплуатации рассматриваемых нетипичных электрических батарей. В пример уместно привести автономные метеопосты на территории Крайнего Севера, створные навигационные знаки и в целом оборудование гидрографических станций, оборудование световых «маяков» для ориентации судов, находящихся в море, в том числе на наземных объектах вдоль трассы Северного морского пути, а также космические спутники. Разумеется, сфера применения ядерных батарей не ограничивается приведёнными выше примерами. Так, при установке в качестве источников питания с мощностью даже 5—10 Вт на удалённые и необслуживаемые оператором обслуживаемые дистанционно метеостанции, предназначенные для передачи информации о погоде на Большую землю посредством телеметрии, удастся добиться более точных прогнозов. Это возможно в том числе из-за стабильного автономного питания удалённых зондов, для которых изотопные батареи будут дополнительным фактором стабилизации питания в комплексе с источниками возобновляемых источников энергии ветра ветрогенераторы и солнца солнечные панели и преобразователи в электрический ток.
Долговечность и принцип работы изотопных батарей Чем больше период полураспада активного изотопа, тем больший ресурс имеет источник питания на его основе. Вот почему так важны характеристики материалов: к примеру, период полураспада тория-228 составляет 2 года, а америция-241 — около 400 лет. Выбранный плутоний-238 — элемент с 87-летним периодом полураспада. Гарантированный срок службы изделий обозначен разработчиками в 30 лет. Как и в любом «рукотворном» устройстве со сложными элементами, в том числе в РЭА, отдельные элементы изделия неравномерно сохраняют свойства, а общая надёжность зависит от расчёта «наработки до отказа» самых нестабильных компонентов. Поэтому в расчётах долговременности эксплуатации учитываются риски разрушения проводников в том числе с алмазным напылением , деградация поверхности и кристаллов фотоэлементов, возможная потеря вакуума в капсуле. При нарушении целостности оболочки и корпуса изотопный источник автономного питания можно переместить в новую оболочку, и сохранённая энергия обеспечит разность потенциалов на полюсах. Таким образом, теоретически ядро, если оно сохранено, можно использовать и далее в других источниках питания РЭА. Но вот что крайне важно: чем меньше живёт активный изотоп, тем выше при одинаковой энергии распада и прочих равных условиях его энергоёмкость и отдаваемая в нагрузку полезная мощность. Как мы отметили выше, изотопный источник тока практически лишён эффекта саморазряда, так как реакция происходит только при наличии «внутреннего тока» и ЭДС, связанной с подключением внешней нагрузки.
Применяемый в плутониевой электрической батарее принцип преобразования энергии ядерного распада в электрическую называют термофотовольтаическим [4]. Альфа-источник окружён вакуумной капсулой, внешние стенки которой покрыты слоем наночастиц. Тепло от ионизирующего излучения нагревает капсулу до 1500 К, заставляя её поверхность светиться. Чувствительные и адаптированные к среде фотоэлементы, окружающие капсулу и способные выдерживать колоссальный нагрев окружающей температуры, улавливают эти изменения спектра. В принципе работы изделий особенности фотогенерации: образование подвижных электронов и дырок при поглощении квантов света, в том числе в органических полупроводниках с изменениями от освещённости и температуры. Это знание способствует созданию разных устройств в сегменте органической фотовольтаики, таких как солнечные панели и батареи. Перенос заряда и энергии в конденсатах квантовых точек описан довольно давно [3, 5]. Однако с появлением изотопных источников тока задача моделирования транспорта носителей заряда, необходимого для оптимизации характеристик оптоэлектронных устройств на основе квантовых точек, решается лучше. Наногибридные материалы Неупорядоченные органические полупроводники применяются в РЭА даже в производстве кристаллов светодиодов.
Выбор ядра специального источника питания зависит также от режима эксплуатации РЭА и других условий. Пока такие электрические батареи работают в условиях очень малой мощности, но перспективы для совершенствования изделий и технологии огромны. К слову, все достойные внимания разработчики РЭА в мире конкурируют за создание микроконтроллеров конфигурации RISC-V со сверхнизким энергопотреблением, работающих исключительно за счёт сбора энергии из внешней среды: преобразования энергии тепла, света, радиоволн, химической среды и даже продуктов потовых желёз человека и животных. Да, пока такие источники автономного «самопитания» обладают чрезвычайно малой мощностью, но они уже существуют и применяются, в частности, при взаимодействии с имплантатом в устройствах медицинской микроэлектроники. Иногда батарея, аккумулятор или даже ионистор в качестве элемента питания действительно не подходят, если вы проектируете устройство сверхнизкого энергопотребления. В этой связи рассмотрение технологий создания электрических батарей на основе изотопов с ядерным принципом действия представляется весьма актуальным. Используется 32-битное ядро RISC-V, специально разработанное для обеспечения супернизкого энергопотребления и встроенной функцией сбора энергии. Среди преимуществ масштабируемая, настраиваемая память с низким энергопотреблением, беспроводной интерфейс с поддержкой Bluetooth Low Energy и радиоканал в формате IEEE802. Уже несколько лет доступны саморастворяющиеся имплантаты и даже водорастворимые в горячей воде печатные платы, что удобно для безопасной и полной переработки. На фоне этих инноваций прототип радиоизотопной батареи малой и средней мощности на основе бета-распада никеля-63, плутония-238 и других изотопов , а также параллельные разработки по созданию ядерной электрической батареи в КНР представляют огромный интерес. Выбор радиоизотопа и схемы преобразования Области применения ядерных батарей разнообразны: они незаменимы на территориях, удалённых от инфраструктуры, к примеру, в Арктике, на больших глубинах, на газо- и нефтепроводах большой протяжённости, в космосе, в устройствах, обеспечивающих специальную связь, и в медицине: везде, где требуется длительный мониторинг без возможности подзарядки или замены источников энергии. Для изотопных источников применительно к кардиостимуляторам или датчикам артериального давления, электронным анализаторам крови подходят только плутоний-238 и никель-63. Требование безопасного радиоизотопа сужает возможности, поскольку радионуклиды при распаде должны распадаться либо переходить в состояние дочернего ядра. Кроме выбора радионуклида принципиально важным при разработке радиоизотопных источников энергии является выбор схемы преобразователя энергии ядерного распада в электрический ток. На практике преобразование осуществляется по непрямому ступенчатому принципу: кинетическая и кулоновская энергия альфа- и бета-частиц сначала превращаются в тепловую, химическую, механическую, световую и другие виды энергии, а затем — в электрическую. Концепция оригинальной физической системы на основе 63Ni предложена группой учёных из Института «ЛаПлаза» под руководством Петра Борисюка [7]. Если обеспечить условия эффективной генерации вторичных электронов непосредственно внутри наноструктурированных плёнок никеля и значительно увеличить токовый сигнал, вызванный каскадом многократных неупругих соударений бета-частиц, на выходе экспериментальной реализации получают относительно простую систему, но довольно результативную с точки зрения состава плотно упакованных нанокластеров никеля с градиентным распределением наночастиц по размеру, осаждённых на поверхности широкополосного диэлектрика — оксида кремния [7]. Вследствие размерной зависимости энергии Ферми наличие пространственно-неоднородного распределения металлических наночастиц по размерам приводит к пространственному перераспределению заряда в электропроводящей системе соприкасающихся друг с другом металлических наночастиц. Их средний размер изменяется в выделенном направлении, что приводит к возникновению разности потенциалов на полярных выходах напряжению. Объяснением этого эффекта с помощью знаний физики ядерной реакции является демонстрация формирования нанокластерных плёнок никеля-63 с градиентным распределением наночастиц. В процессе реакции достигают двух эффектов. Во-первых, формируются покрытия с фиксированной разностью потенциалов определяется разницей размеров наночастиц в выделенном направлении ; во-вторых, происходит преобразование энергии бета-распада 63Ni в ток электронов электрический ток без использования дополнительных сложных для реализации полупроводниковых систем. Исследование электрофизических свойств формируемой нанокластерной плёнки никеля и подбор оптимальных параметров эксперимента для создания эффективного преобразователя энергии бета-распада 63Ni в электричество впервые были опубликованы в журнале Applied Physics Letters коллективом авторов [7]. Поскольку наноструктурированные плёнки могут использоваться в качестве селективного фотоэмиттера — системы с перераспределённым спектром излучения в заданном спектральном диапазоне, процесс окисления плёнки приводил к образованию оксидной оболочки поверх металлического ядра нанокластера. Затем происходило формирование совокупности металлических нанокластеров с их пространственным распределением по размерам, но в одном слое оболочке оксида. Относительно малые размеры нанокластеров 2—15 нм способствуют проявлению квантовых свойств полупроводниковых материалов с широким разбросом значений ширины запрещённой зоны, а это обеспечивает возможность эмиссии фотонов заданной длины волны при нагреве и, следовательно, обеспечивает возможность коррекции спектра излучения под определённый диапазон длин волн. Это важное отличие перспективного открытия в разработке отечественных ученых, поэтому энергоэффективность и энергосбережение современных тепловых источников электроэнергии может выйти на новый уровень. Понимая конкурентное значение технологии, подобными исследованиями занимаются во всём мире. Китайские успехи Китайский стартап Betavolt из Пекина представил первую в мире миниатюрную аккумуляторную батарею с ядерной начинкой: модель BV-100. Первенство объясняют тем, что это первый случай, когда атомная энергия реализована в столь миниатюрной модели. Отсюда и название батареи — «ядерная». Миниатюризация — основной отличительный признак инновации. Батареи можно подключать параллельно и последовательно, создавая модули в электрической цепи для увеличения мощности источника питания и суммарного напряжения. Заявленная мощность одной батареи с изотопом никель-63 и алмазными полупроводниками сравнима с источником автономного питания в 100 мкВт, а напряжение составляет 3 В постоянного тока [6]. Размеры батареи меньше средней монеты. На рис. Принцип работы батареи основан на преобразовании энергии, выделяемой при распаде изотопов, в электрический ток. Соответственно, речь идёт об источнике энергии, у которого понятие саморазряда отсутствует вообще, а рабочий процесс начинается только после подключения в электрическую цепь при подключении к контактам батареи устройств нагрузки. Изотопы никеля — разновидности химического элемента никеля, имеющие разное количество нейтронов в ядре. Известны изотопы никеля с массовыми числами от 48 до 80 количество протонов 28, нейтронов от 20 до 52 и 8 ядерных изомеров.
Это не теория, сейчас разработку переводят на коммерческую основу. Несколько недель назад разработчик завершил тестирование, убедившись в работоспособности системы. Первые батареи такого типа появятся в продаже в конце этого года. Инвестором разработчиков выступил стартап-инкубатор Volkswagen Future Mobility. Разработка представляет собой специальный корпус из синтетических алмазов, внутрь которого помещен радиоактивный сердечник. В процессе неупругого рассеивания бета-излучение изотопов преобразуется в электрический ток. В качестве топлива используются переработанные ядерные отходы углерода-14. Этот изотоп применяется для радиоизотопного датирования и диагностики некоторых заболеваний желудочно-кишечного тракта.
Данный компонент радиоактивен, его наносят с 2 сторон p-n-перехода, который называют планарный. Это делает проще процесс создания элемента и помогает держать под контролем обратное электричество, которое часть мощности забирает себе. Как утверждают создатели, их батарейка, если её сравнить с подобными, даёт возможность в три раза сделать меньше величину элемента, в разы повысить удельную мощность и в 2 раза уменьшить её создание. Из-за микроканальной структуры увеличивается эффективная площадь преобразования бета-лучей в 14 раз. Что в дальнейшем даст возможность опять понизить производство источника где-то в 2 раза из-за того, что рационально будет расходоваться дорогостоящий радиоизотоп, — сообщил один из её создателей доцент Сергей Леготин НИТУ «МИСиС». Данная батарейка может функционировать до 20 лет.
Изобретена "вечная" батарейка
«Помещая радиоактивный материал внутрь алмаза, мы превращаем проблему ядерных отходов в батарейку для длительной выработки чистой энергии», — заявил Скотт. Как сообщил ресурсу New Atlas исполнительный директор Nano Diamond Battery Нима Голшарифи (Nima Golsharifi), одна такая батарейка может работать до 28 тыс. лет. Российские учёные создали прототип батарейки на изотопе плутония. Новости / Батарейки и аккумуляторы. Российские ученые создали атомную батарейку, которая способна работать до 20 лет. В Китае намерены начать массовое производство «вечных» ядерных батареек для мобильного телефона. Потом их стали внедрять в электромобилях, а в перспективе «водородные батарейки» попросту вытеснят все остальные даже в быту. В Циндао придумали вечный водный аккумулятор.