Российские физики создали мощные и долговечные ядерные батарейки (3 фото)
Физики из Московского физико-технического института (МФТИ), Технологического института сверхтвёрдых и новых углеродных материалов(ТИСНУМ) и Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» разработали новый источник питания. Электроэнергия в нём производится за счёт бета-распада никеля-63.
Плотность запасённой энергии составляет 3300 милливатт-часов на грамм, что является лучшим результатом среди подобных устройств и в десять раз превосходит показатели традиционных батареек. Кроме того, важным преимуществом такого источника энергии является его срок службы (десятки лет). Это позволит использовать его там, где подзарядка неуместна или невозможна, например, для питания кардиостимуляторов и космических аппаратов.
Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Diamond and Related Materials группой во главе с Владимиром Бланком, директором ТИСНУМ и заведующим кафедрой «Физика и химия наноструктур» МФТИ.
Традиционные батарейки или, говоря по-научному, гальванические элементы используют энергию химических реакций. Они дёшевы и компактны, но имеют серьёзный недостаток: быстро «садятся». Наверное, каждый владелец смартфона, ноутбука или другого мобильного устройства попадал из-за этого в неудобные ситуации.
Впрочем, это ещё цветочки по сравнению с проблемами людей, пользующихся кардиостимуляторами. Режим «подзарядись или умри» вряд ли кому-то покажется комфортным.
Наконец, человечество отправляет зонды в глубины космоса, а на просторах Вселенной розетки точно не отыщешь. Вблизи Земли эта проблема решается использованием солнечных батарей, но с межпланетными аппаратами всё обстоит гораздо сложнее. Поэтому, например, марсоход «Кьюриосити» имеет источник питания, в котором тепло ядерного распада преобразуется в электричество (так называемый РИТЭГ). Однако такие устройства громоздки, и в кардиостимулятор их впихнуть не получится.
Между тем ещё в 1953 году был изобретён так называемый бета-вольтический элемент. Электроны, образующиеся при бета-распаде радиоактивного изотопа, поступают в полупроводник с особой структурой, превращают его атомы в ионы, и в цепи возникает электрический ток. В 1970-е годы эту технологию довели до промышленного применения и стали использовать в кардиостимуляторах, но они выходили чрезмерно дорогими и к тому же маломощными.
Группа Бланка поставила себе задачу разработать эффективные и дешёвые бета-вольтические элементы. В созданных физиками устройствах электроны выделялись радиоактивным никелем-63 и попадали в алмазные преобразователи, основанные на эффекте, известном как барьер Шоттки. Полная электрическая мощность батарейки составила около одного микроватта, а удельная мощность достигла десяти микроватт на кубический сантиметр. Этого достаточно, чтобы питать современный кардиостимулятор. Период полураспада никеля-63 составляет около ста лет. Таким образом, в одном грамме батарейки запасено около 3300 милливатт-часов, что в десять раз больше, чем в химических батарейках.
Образец «ядерной батарейки» состоял из двухсот алмазных преобразователей, чередуемых слоями фольги из никеля-63 и стабильного никеля. Отдельной проблемой было рассчитать оптимальную толщину слоёв радиоактивного металла. Если она слишком велика, электроны будут поглощаться, не достигнув преобразователя. А если она мала, то и частиц будет выделяться слишком мало. Все предыдущие модели бета-вольтических элементов были плохо оптимизированы по этому параметру.
Расчёты показали, что для максимальной эффективности толщина одного слоя никеля-63 должна составлять около двух микрометров, а алмазного преобразователя — около 10 микрометров.
Самой сложной задачей было изготовление большого количества алмазных преобразователей со сложной внутренней структурой толщиной всего в несколько десятков микрометров (как полиэтиленовый пакет из супермаркета). Традиционные методы уменьшения толщины алмаза для этого не годились.
Учёные МФТИ и ТИСНУМ разработали специальную технологию с применением ионной имплантации, осаждения из газовой фазы, высокотемпературного отжига, электрохимического травления и других методов с интересными названиями. Важно, что созданная специалистами методика позволяет получить алмазный слой нужной толщины и структуры сравнительно дёшево.
Правда, разработку не удастся сразу же внедрить, потому что в России нет промышленного производства никеля-63. Но к середине 2020-х годов планируется создать такую отрасль промышленности. А пока у авторов есть время для дальнейшего совершенствования своего детища.
«Мы уже достигли выдающегося результата, который может быть применён в медицине и космической технике, но не собираемся останавливаться на этом», — говорит Бланк.