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.
Компания City Labs начала выпуск настоящих атомных батареек NanoTritium. Источником энергии в этих батарейках служит распад сверхтяжелого водорода - трития. Батарейка изготавливается в корпусе микросхемы, на данный момент ее стоимость достаточно велика и составляет около $1000. Тритий входит в десятку самых дорогих веществ в мире и его грамм стоит $30000.
Тритий - это радиоактивный изотоп водорода. Ядро трития составляет протон и два нейтрона. При распаде тритий превращается в 3He. Период полураспада примерно 13 лет. Энергия испускаемых электронов мала - от 6.5 кэВ до 18.59 кэВ. Излучение останавливается такими преградами, как одежда или даже кожа человека. В герметической упаковке тритий безвреден. Пары трития все же представляют радиационную опасность. Впрочем, в атомных батарейках NanoTritium его настолько мало, что данная проблема не актуальна. Один кубический миллилитр тритиевого газа обладает активностью около 94 ГБк.
Тритий уже давно используется в ряде устройств. К примеру, его можно встретить на стрелках светящихся в темноте часов. Светящиеся элементы часов изготавливаются как герметичные колбы, заполненные газом трития. Стенки колб изнутри покрывают слоем люминофора. Принцип работы свечения достаточно прост. Электроны, испускаемые тритием при бета-распаде, соударяются с люминофором, поглощаются им, заставляя светиться.
Принцип работы атомной батарейки достаточно прост: распад трития - это бета-распад, ядро трития превращается в ядро гелий-3, и вылетает один электрон обладающий высокой энергией. Тритий закачивают в ячеистый, или можно сказать губчатый, рабочий объём из кремния. В кремнии каждый электрон высокой энергии создаёт огромное число электронно-дырочных пар. По сути, подобные процессы протекают в обычных фотоэлементах - с той лишь разницей, что в фотоэлементе один фотон порождает только одну пару (просто потому, что энергия оптического фотона в тысячи раз меньше, чем энергия бета-электрона). Дальше, достаточно, замкнуть цепь и потечёт ток.
Атомный источник питания от City Labs способен выдерживать перепад температур от -50 до 150 градусов Цельсия, а также хорошие перепады высот. Этот аккумулятор способен работать на протяжении 20 лет и выдавать до 2.4В с силой тока 50-300 наноампер.
Даже столь низкий ток вполне достаточен для питания многих устройств. Например, специальные прослушивающие устройства. Радиоактивность тритиевых элементов не выходит за пределы корпуса, и не может быть обнаружена, в сочетании с современными цифровыми технологиями кодирования сигнала такие элементы питания позволяют создать идеальную "прослушку". В медецине, также атомные батарейки NanoTritium могут использоваться для питания кардиостимуляторов.
Элементы питания на тритии - не единственная разработка изотопных источников питания. На американских междпланетных станциях "Пионер" и "Вояджер" используются плутониевые радиоизотопные источники. Их мощность уже существенно - порядка 400 ватт. И, между прочим, они были изготовлены более сорока лет назад и работают по сей день.
Разрабатываемая атомная батарейка на основе углерода-14 отличается рядом преимуществ по сравнению с атомными батарейками на основе других радиоактивных изотопов, а именно: экологичностью, дешевизной и длительным периодом эксплуатации. Эти преимущества обеспечиваются, во-первых, за счет применения в атомной батарейке углерода-14 в качестве радиоактивного источника. Период полураспада этого элемента составляет 5700 лет и при этом, в отличие, например, от Ni-63, углерод-14 нетоксичен и отличается низкой стоимостью.
Технология находится в процессе разработки!
Атомная батарейка — эта технология , которая базируется на идее преобразования энергии, которую излучает радиоактивный источник, в электрическую энергию. Простейшая атомная батарейка состоит из источника излучения и отделенного от нее диэлектрической пленкой коллектора. При распаде радиоактивный источник испускает бета-излучение, вследствие чего он заряжается положительно, а коллектор — отрицательно и между ними возникает разность потенциалов.
Над созданием источников питания, которые могли бы работать за счет энергии радиоизотопов, сейчас трудятся ученые по всему миру. Образцы ядерных батареек существуют и в России, и в США, и в других странах. При этом в качестве радиоактивных источников используется тритий, Ni-63 и углерод-14.
Атомная батарейка на основе углерода -14 отличается рядом преимуществ по сравнению с атомными батарейками на основе других радиоактивных изотопов, а именно: экологичностью, дешевизной и длительным периодом эксплуатации.
Эти преимущества обеспечиваются, во-первых, за счет применения в атомной батарейке углерода-14 в качестве радиоактивного источника. Период полураспада этого элемента составляет 5700 лет и при этом, в отличие, например, от Ni-63, углерод-14 нетоксичен и отличается низкой стоимостью.
Второе отличие атомной батарейки на основе углерода-14 состоит в том, что в качестве «подложки» под радиоактивный элемент используется принципиально новая структура – пористая карбидокремниевая гетероструктура. Технология производства карбидной пленки путем ее наращивания на готовой кремниевой подложке «методом эндотаксии» позволяет уменьшить стоимость «подложки» в 100 раз, что делает атомную батарейку дешевой.
Неоспоримым плюсом карбидокремниевой гетероструктуры также является ее устойчивость к радиации . При излучении изотопа она остается практически неизменной, что и позволяет говорить о том, что такая атомная батарейка будет работать неограниченно долгое время.
Карбид кремния — это тоже полупроводниковый материал. Он химически более устойчив, способен работать при температуре до 350 градусов. Кремниевые датчики температур работают максимум до 200. Карбид кремния работает при температуре на 150 градусов выше. Он в 10 раз радиационно пассивнее и устойчивее, чем кремний.
— углерод-14 нетоксичен,
— низкая стоимость атомной батарейки по сравнению с другими атомными батарейками на основе других радиоактивных источников,
— длительный период эксплуатации — срок службы более 100 лет,
— безопасность. Бета-излучение обладает малой проникающей способностью и задерживается оболочкой атомной батарейки,
— возможность работать в экстремальных условиях – при сверх низких и высоких температурах.
Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com
Новая система земледелия Овсинского И.Е....
Стеклоткань
Биоразлагаемые пакеты
Резина для шин, экономящая до 30% горючего...
Утилизация опасных отходов, содержащих тяжелые мет...
Снижение вязкости нефти
Берегоукрепление дамбами в чрезвычайных ситуациях...
Утеплитель эковата для монолитного утепления и зву...
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.
Первые упоминания об атомной батарейке зафиксированы в 2005 году.
Действительно, атомная батарейка существует. По-другому ее называют атомный аккумулятор или ядерный аккумулятор. Она предназначена для питания различных мобильных устройств. Создана батарейка самого продолжительного срока действия благодаря процессу ядерного распада, так как основным элементом, который способствует работе устройства, является тритий. Именно от этого вещества и питается атомная батарейка.
Внутри атомный аккумулятор содержит , на работу которой оказывает действие тритий. Отмечается, что радиоактивность, которая излучается атомной батарейкой, очень и очень мала, поэтому вред здоровью человека и окружающей среде устройство не приносит. Главное достижение – это продолжительность работы батарейки. Без дополнительной подзарядки ядерный аккумулятор может прослужить около 20 лет.
Атомные батарейки – это настоящее достижение, ведь только такие устройства современности способны выдерживать температуры от -50 до +150оC, работая в экстремальных условиях. К тому же доказано, что они способны выдерживать широчайший диапазон давлений и вибраций. В различной микроэлектронике срок службы атомной батарейки варьируется. Но, как указывалось выше, минимальный срок действия без подзарядки составляет 20 лет. Максимальный – 40 лет и больше.
Как правило, атомный аккумулятор используется для работы датчиков давления, всевозможных медицинских имплантантов, часов, для зарядки литиевых батареек. С помощью работы батареек данного типа осуществляется питание маломощных процессоров. Размер и вес ядерной батарейки минимален, поэтому устройство идеально подходит для заряда космических кораблей и исследовательских станций.
Несмотря на то что говорят, что ядерная батарейка не оказывает никакого вредного действия на кожу человека, соприкасаясь с ней, стоит быть все-таки осторожным. Это относительно новое открытие современности, поэтому исследований проводилось достаточно мало. Если сейчас, используя такую батарейку для заряда наручных часов, человек не замечает никакого негативного воздействия, еще нельзя говорить о том, что это в дальнейшем не скажется на развитии всевозможных неприятных и опасных для жизни заболеваний.
