Углерод-14 является одним из природных радиоактивных изотопов и широко используется для радиоуглеродного анализа. Время его полураспада составляет 5700 лет. Примерно столько и даже дольше сможет работать атомная батарейка на его основе, которую изобрели учёные из Великобритании.

Источник изображения: University of Bristol

В процессе радиоактивного распада ¹⁴C образуются электроны и позитроны — это так называемая бетавольтаика. Это явление давно и широко используется при изготовлении радиоизотопных элементов питания. Электроны улавливаются полупроводниковыми переходами, примыкающими к границе зоны рядом с радиоактивным материалом, а дальше всё как в обычных солнечных панелях, только без фотонов — через переходы начинает течь электрический ток.

Подобные элементы питания выдают микроватты мощности, но и такое нужно во многих сферах. Условно вечные батарейки смогут питать имплантаты, что перестанет беспокоить пациентов с позиций необходимости периодической замены источников питания, а также электронику без обслуживания — маяки, радиометки, датчики и микрозонды в космосе. Одним словом, спрос на атомные батарейки есть и он растёт.

Инновацией учёных из Бристольского университета (University of Bristol) и Управления по атомной энергии Великобритании (UKAEA) стала разработка технологии искусственного создания алмазной оболочки вокруг изотопа, для чего использовалось плазменное напыление. Алмаз является нейтральным, что необходимо для установки таких батарей в тело человека для питания имплантатов.

Для человека излучение изотопа ¹⁴C будет безопасным, поскольку этот элемент является вторым в организме после калия-40 источником остаточного излучения. Собственно накопление ¹⁴C всей существующей на Земле органикой позволяет использовать его для радиоуглеродного датирования древностей. Но это уже другая история.

То или иное использование энергии ядерного распада для длительного получения электрической энергии — не новость. Новостью станет эффективное преобразование радиации в электричество, что особенно важно в свете ураганного распространения подключённых к интернету микродатчиков. На этот раз удивили китайские учёные. Они представили фотоэлектрическую ядерную батарейку, которая оказалась в 8000 раз эффективнее предыдущих разработок.

Источник изображения: Kai Li

Энергия радиоактивного распада может превращаться в электричество напрямую с помощью ряда полупроводников, производить нагрев и выводить электричество с помощью термоэлементов, а также способна возбуждать фотоны, с помощью которых можно вырабатывать электричество с фотоэлементов. Китайские исследователи из Университета Сучжоу воспользовались последним способом, развив идею от светящихся циферблатов часов до улавливания фотонов от подобных материалов миниатюрными фотопанелями.

Учёные создали полимерный кристалл и поместили в него немного америция. После этого рукотворный кристалл стал светиться призрачным зелёным светом. Такое свечение будет продолжаться десятилетиями, что делает источник питания на его основе условно вечным для практического использования. Учёные разместили поверх светящегося кристалла тонкоплёночный фотоэлемент и запаковали всё в кварцевое стекло для предотвращения утечек радиации вовне.

КПД такой ядерной батарейки составил скромные 0,889 %, но исследователи утверждают, что это значение в 8000 раз больше, чем у предыдущих аналогичных разработок. Сотни часов тестирования элемента показали, что он стабильно выдавал 139 мкВт на 1 кюри (единицу радиоактивности). Из таких элементов может получиться очень и очень долговечная ядерная батарейка для решения широкого спектра задач на Земле и в космосе.

Калифорнийская компания Infinity Power сообщила, что успешно разработала очень мощную и долговечную атомную батарейку, использующую электрохимическое преобразование радиоизотопной энергии. Общая эффективность атомного источника питания превысила 60 %, тогда как КПД всех созданных ранее атомных батареек составлял единицы процентов. Это откроет новую главу в атомных системах питания, уверен разработчик и рассказал о поддержке властей США.

Источник изображения: Infinity Power

«По сравнению с другими радиоизотопными методами преобразования энергии с низким КПД (<10 %), это самый высокий уровень общей эффективности, когда-либо достигнутый, — сказано в пресс-релизе компании. — Это показывает, что предстоящий коммерческий выпуск радиоизотопных источников питания следующего поколения вселяет огромные надежды».

Новый изотопный источник питания разработан при поддержке Министерства энергетики США. Устройство можно масштабировать от нановаттной до киловаттной мощности, обеспечивая питанием широчайший спектр электроники от имплантируемых в тело человека медицинских приборов до снабжения энергией отдалённых баз, включая космические.

Высокая эффективность преобразования распада изотопов в электрическую энергию означает, что радиоактивного материала нужно будет меньше и его выбор не так ограничен, как в случае современных полупроводниковых радиоизотопных источников питания. «Крошечное устройство в виде ячейки «монетка» может обеспечивать десятки милливатт энергии более 100 лет», — утверждает разработчик. Это на два порядка больше энергии, чем в случае представленной в начале 2024 года китайской атомной батарейки такого же масштаба.

«Наши цели — способствовать успешному запуску этого открытия и начать новую главу в истории революционных решений для атомных накопителей энергии», — заявил генеральный директор Infinity Power Чжэ Квон (Jae Kwon).