Атомная батарейка – элемент питания из ближайшего будущего. По заявлениям разработчиков она сможет проработать без замены до 20 лет, что позволит выпускать смартфоны, датчики, лаптопы, другие устройства, не требующие зарядки, резко сократить уровень отходов, а соответственно загрязнения окружающей среды.
Что такое ядерная батарейка
Работа ядерной батарейки предполагает преобразование радиоактивного бета-излучения в электрический ток. При этом реакция абсолютно контролируемая, не несёт никакой угрозы окружающим, уровень излучения не превышает естественный фон земли.
Устройство и состав
Атомная батарейка – технически сложный девайс, состоящий из нескольких элементов:
- Источник излучения. Радиоактивный элемент, участвующий в химической реакции. В результате процесса происходит преобразование в электрический ток. Ещё один компонент, нераздельно связанный с источником – коллектор, отделённый диэлектрической плёнкой.
- Подложка. В опытных образцах используется материал нового поколения, обладающий уникальными свойствами. Это пористая карбидокремниевая гетероструктура, которая получается в результате наращивания карбидной плёнки на кремниевой базе. Материал показал высокую устойчивость к радиоактивным элементом, при этом имеет адекватную стоимость.
- Карбид кремния. Полупроводник, способный выдержать сверхтемпературы вплоть до +350°C. По способности противостоять радиации, он в 10 раз превосходит кремний.
Принцип работы
Работа над тестовыми образцами атомной батарейки ведётся давно. Наиболее перспективны разработки российских и американских учёных. Проект имеет большие перспективы. В результате люди получат компактный источник питания с солидным сроком службы.
Принцип работы блока: при распаде вещества генерируются бета-лучи, несущие положительный заряд. В качестве отрицательной части выступает коллектор. В результате создаётся разность зарядов, происходит генерация электрического тока.
Виды батареек
В качестве источника питания используется несколько элементов. Отечественные учёные используют углерод-14. У данного изотопа есть преимущества, которых нет у аналогов, как правило, использующихся для производства атомных бомб.
Период распада углерода-14 – 5700 лет. Он нетоксичен, то есть безвреден для окружающих.
Также ведётся разработка ИП на базе изотопа Ni-63. Но у исследователей есть проблема со стабилизацией вещества, токсичностью. Срок полураспада изотопа – 100 лет, что также говорит о высоком потенциале использования.
Области применения
Преимущество атомной батарейки – она способна работать при больших перепадах температур. Учёные заявляют о диапазоне -100…+100°C. Свойство позволит использовать источник питания там, где неспособна работать Li-Ion, другие прогрессивные батарейки. Например, в Арктике, пустыне.
Новые элементы питания решат проблему медицины. Теперь не нужно будет доставать кардиостимулятор каждые 5 лет для замены батарейки, что снизить смертность, затраты на медицину. Уменьшенные габариты положительно скажутся на размерах, весе медицинского кардиостимулятора, возможно это позволит проводить малоинвазивные операции.
Второй потребитель атомной энергии, спрятанной в компактной батарейке – космическая промышленность. Стоимость вывода груза в космос, отсутствие свободного пространства для хранения, утилизации батарей, делает использование ядерной батарейки оправданным.
Преимущества и недостатки
Среди достоинств атомных источников питания:
- Срок эксплуатации. Нет необходимости регулярно менять АКБ. Открывается возможность выпуска устройств без съёмных элементов питания;
- Безопасность. Минимальный радиационный фон;
- Экологичность. Нет вреда окружающей среде. Существенное снижение объёма отходов, как результат, уменьшение площадей мусорных полигонов.
Главный недостаток – все существующие образцы не оптимизированы., то есть у них есть избыточный объём бета-источника. Если его толщина слишком велика, электроны не могут оторваться от него, соответственно происходит процесс самопоглощения, препятствующий нормальной реакции. Если же сделать сверхтонкий источник, сократится объём бета-распадов, то есть реакция будет происходить медленно, не позволит питать подключённые устройства.
Второй недостаток – цена. На данном этапе производство находится на этапе тестирования опытного образца. Но уже сейчас, ученые говорят, что атомная батарейка в ближайшие 40 лет не будет доступна обычному потребителю. Самый дорогой компонент ядерной батарейки – радиоактивный изотоп. 1 грамм углерода -14 стоит 500 тыс. рублей. Планируется, что для одной батарейки необходимо 1 мг вещества, что сопоставимо 5 тыс. рублей. Для коммерческой батарейки это достаточно дорого.
Опасность атомной батарейки
Как правило, люди с опасением относятся к ядерной энергии, особенно, когда речь идёт о бытовом использовании. Но атомная батарейка полностью безопасна. Изотоп углерод-14 не несёт опасности для окружающей среды, имеет минимальный радиоактивный фон, практически не превышающий естественный. Атомная модель не является “карманным реактором” и не подвергает опасности человечество.
Работы над совершенствованием ядерной батареи продолжаются. В первую очередь, учёные хотят увеличить мощность, совершенствуя алмазную структуру. В перспективе мощность вырастет минимум в 3 раза, что позволит говорить о начале единичного производства.
