Учёные из Северо-Западного педагогического университета в Ланьчжоу, провинция Ганьсу, сообщили о создании атомной батарейки на изотопе углерод-14 (¹⁴C). Батарея рассчитана на 50 лет работы без снижения выходного напряжения и может использоваться для питания кардиостимуляторов, космических аппаратов и устройств, работающих в экстремальных условиях.

Источник изображений: Northwest Normal University in Gansu

Разработчики заявляют, что это первая созданная в Китае батарея на изотопе ¹⁴C, и она может существенно изменить ситуацию в сфере автономного питания в стране. До недавнего времени Китай импортировал углерод-14 из Канады, Южной Африки, Австралии и России. Однако в прошлом году китайские исследователи наладили собственное производство этого изотопа на одном из местных реакторов, что позволит отказаться от дорогостоящих закупок за рубежом.

Максимальная выходная мощность батареи достигает 433 нановатт. В процессе радиоактивного распада ¹⁴C образуются электроны и позитроны. Электроны улавливаются полупроводниковыми переходами на границе с радиоактивным материалом, благодаря чему возникает электрический ток.

Изотоп углерод-14 накапливается в мёртвой органике и широко используется для радиоуглеродного датирования. Его период полураспада составляет 5730 лет. Согласно расчётам, китайская батарея на ¹⁴C за 50 лет работы потеряет лишь 5 % мощности. Это означает, что теоретически она сможет непрерывно питать автономные устройства 100 лет и более, что особенно важно для дальних космических миссий.

В лабораторных условиях учёные протестировали работоспособность батареи при охлаждении до -100 °C и нагреве до 200 °C. Во всех случаях атомная батарея обеспечивала номинальный уровень тока и работала без сбоев. В ходе испытаний источник питания более четырёх месяцев непрерывно обеспечивал работу светодиодной лампы.

В разработке атомной батарейки учёным помогали специалисты компании Beita Pharmatech, которая использует углерод-14 для изготовления препаратов научного и медицинского назначения. На основе полученного опыта сотрудники университета планируют создать роботизированную линию для промышленного производства атомных батареек.

Изотоп углерод-14 относительно безопасен для человека. Атомные батарейки на его основе могут на протяжении всей жизни питать имплантаты и кардиостимуляторы, тогда как современные источники питания рассчитаны лишь на 15 лет работы. Китайские учёные не единственные, кто стремится использовать ¹⁴C в подобных разработках. В конце 2024 года появилась информация о схожем проекте британских исследователей.

Исследователи из Университета штата Огайо предложили перспективный способ утилизации радиоактивных отходов, который может одновременно решить две задачи: безопасное обращение с опасными материалами и создание источников питания с длительным сроком службы.

Источник изображений: Optical Materials: X 2025

Сегодня радиоактивные отходы хранят в специальных условиях, что требует значительных затрат и сложной инфраструктуры. Однако такие отходы могут служить источником энергии для автономных систем.

Известно, что при взаимодействии гамма-излучения с определёнными материалами возникает явление сцинтилляции — спонтанного свечения. Высокоэнергетические фотоны возбуждают электроны в атомах, переводя их в возбужденное состояние. Возвращаясь в исходное состояние, электроны испускают фотоны, которые можно преобразовывать в электрический ток с помощью фотоэлектрических ячеек.

Учёные предложили использовать радиоактивные отходы в качестве источника гамма-излучения. Также можно улавливать «дикое» гамма-излучение от работающих атомных реакторов, например, на АЭС. Ключевая задача — разработка эффективной батареи, объединяющей вещество-сцинтиллятор и фотоэлектрическую ячейку. Исследователи из Огайо создали такой прототип.

Опытный образец объёмом 4 см³ содержал кристаллы сцинтиллятора и фотоячейку на основе теллур-кадмиевого диода Шотки (CdTe). В качестве источника гамма-излучения использовали изотопы цезия-137 или кобальта-60 — распространённые компоненты радиоактивных отходов.

Испытания в лаборатории ядерных реакторов Университета штата Огайо показали многообещающие результаты. Батарея на основе цезия-137 вырабатывала 0,288 мкВт, а с более мощным кобальтом-60 — до 1,5 мкВт, чего достаточно для питания миниатюрных датчиков.

Эта технология открывает новые возможности для переработки ядерных отходов, превращая их из проблемы в источник энергии. «Мы собираем то, что обычно считается отходами, и превращаем это в ценность», — отмечают разработчики.

Однако учёные признают, что технология пока далека от массового внедрения. Основные сложности связаны с масштабированием производства и повышением выходной мощности батарей. Тем не менее исследования продолжаются, и в будущем такие устройства могут стать важным шагом в развитии автономных энергетических систем.

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).