Как сделать ядерную батарейку
Добавил пользователь Morpheus Обновлено: 18.09.2024
Популярная уже десяток лет тема - создание "вечной батарейки". Недавно я вам рассказывал, как российские ученые разработали атомную батарейку с повышенной в 10 раз мощностью. Было много прорывных заявлений и раньше, но что то на полках наших магазинов мы пользуемся теми же стандартными аккумуляторами и батарейками.
И вот очередная громкая новость: американский стартап Nano Diamond Battery представил прототип бета-гальванической батареи, которая способна проработать тысячи лет. Это не теория, сейчас разработку переводят на коммерческую основу.
Несколько недель назад разработчик завершил тестирование, убедившись в работоспособности системы. Первые батареи такого типа появятся в продаже в конце этого года. Инвестором разработчиков выступил стартап-инкубатор Volkswagen Future Mobility.
Разработка представляет собой специальный корпус из синтетических алмазов, внутрь которого помещен радиоактивный сердечник. В процессе неупругого рассеивания бета-излучение изотопов преобразуется в электрический ток. В качестве топлива используются переработанные ядерные отходы углерода-14. Этот изотоп применяется для радиоизотопного датирования и диагностики некоторых заболеваний желудочно-кишечного тракта. Он также накапливается в графитовых деталях ядерных реакторов, которые поглощают излучение ядерных топливных стержней. Хранить такие отходы опасно, дорого и трудно. Батареи на углероде-14 решают сразу две проблемы — недолговечность обычных элементов питания и переработки радиоактивных отходов.
В Nano Diamond Battery отмечают, что батарейки безопасны для человека и окружающей среды. В процессе испытаний радиационный фон оставался в норме. А алмазная оболочка (дешевые искусственные алмазы) успешно защищала корпус от возможных повреждений. Еще один положительный момент — работающая батарейка не выделяет углекислый газ.
Компания NDB поделилась планами наладить коммерческое производство бета-гальванических батарей к концу года. Заключены два предварительных контракта на поставку батарей американским компаниям. Будущие бета-тестеры занимаются производством, обслуживанием и утилизацией продуктов ядерного топлива, а также производством аэрокосмической, оборонной и охранной продукции. Названия первых клиентов пока держат в секрете.
Российские физики уплотнили энергию ядерной батарейки в десять раз.
Как работает батарейка
Немного истории
К счастью, электрическую энергию можно получать не только в химических реакциях. Более ста лет назад, в 1913 году Генри Мозли (Henry Moseley) представил первый радиоизотопный источник электрической энергии, представлявший собой посеребрённую изнутри стеклянную сферу, в центре которой на изолированном электроде располагался радиевый источник. Электроны бета-распада радия создавали разность потенциалов между серебряным слоем стеклянной сферы и центральным электродом. Такой источник обладает чрезвычайно высоким напряжением холостого хода — в десятки киловольт — и малым током, поэтому на практике его использование почти невозможно.
В 1953 году Пол Раппапорт (Paul Rappaport) предложил использовать полупроводниковую структуру для преобразования энергии бета-распада радиоактивных элементов. Бета-частицы (электроны или позитроны) ионизируют атомы полупроводника и создают неравновесные носители зарядов, которые при наличии статического поля барьерной p-n структуры упорядоченно движутся, создавая электрический ток. Основанные на этом принципе элементы назвали бета-вольтаическими. Главным преимуществом таких элементов перед гальваническими выступает их долговечность: период полураспада некоторых радиоактивных изотопов составляет десятки или сотни лет, следовательно, мощность элемента будет оставаться почти постоянной в течение всего этого периода. К сожалению, удельная мощность бета-вольтаических генераторов сильно уступает химическим батареям. Тем не менее, радиоактивные генераторы всё-таки использовали в 70-х годах для питания кардиостимуляторов, однако впоследствии их вытеснили литий-ионные аккумуляторы, дешевизна изготовления которых перевесила долговечность бета-вольтаических элементов.
Заметим, что бета-вольтаические батарейки не следует путать с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (сокращённо РИТЭГ), которые тоже иногда называют ядерными батареями. В этих устройствах энергия радиоактивных распадов используется для нагрева и создания потока тепла, который потом конвертируется в электрический ток с помощью термоэлектрических элементов. Эффективность РИТЭГов составляет всего несколько процентов и зависит от температуры. Тем не менее, из-за своей долговечности и относительно простого устройства радиоизотопные генераторы широко используются для питания космических аппаратов — например, зонда New Horizons или марсохода Curiosity. Ранее РИТЭГи также устанавливали на радиомаяках и метеостанциях, расположенных в труднодоступных областях, однако сейчас эту практику приостановили из-за трудностей утилизации и риска утечки радиоактивных веществ.
Мощность повысили на порядок
Фото. Ядерная батарейка, образец. Предоставлено ТИСНУМ.
Сначала расчёты
Технология изготовления
Наиболее сложной задачей было изготовление большого количества алмазных преобразователей со сложной внутренней структурой толщиной всего в несколько десятков микрон (как полиэтиленовый пакет из супермаркета). Традиционные механические и ионные методы уменьшения толщины алмаза не подходили для решения такой задачи. Сотрудники ТИСНУМ и МФТИ разработали технологию синтеза и отщепления тонких алмазных пластин от многоразовых алмазных подложек для массового создания сверхтонких преобразователей.
В качестве исходного материала были использованы 20 толстых подложек из легированного бором алмаза, выращенного методом температурного градиента. При помощи ионной имплантации в подложках создавался дефектный слой толщиной около 100 нанометров на глубине около 700 нанометров. Поверх этого слоя методом осаждения из газовой фазы синтезировался гомоэпитаксиальный (наследующий кристаллическую структуру подложки) слой слабо легированного бором алмаза толщиной 15 мкм. Затем методом высокотемпературного отжига дефектный слой подвергался графитизации, после чего удалялся методом электрохимического травления. После удаления дефектного слоя заготовку преобразователя снимали с подложки и покрывали контактами: омическим и Шоттки.
В ходе всего описанного процесса подложка теряла менее 1 мкм толщины, после чего операции повторялись. Таким образом на 20 подложках были выращены 200 преобразователей. Разработанная технология чрезвычайно важна с экономической точки зрения: высококачественные алмазные подложки стоят очень дорого, поэтому не подходят для массового производства преобразователей методом уменьшения толщины.
Основным фактором, ограничивающим изготовление ядерных батареек в России, является отсутствие промышленного производства и обогащения изотопа никеля-63. Такое производство планируется создать к середине 2020-х годов.
Альтернативный способ создания ядерной батарейки на основе алмаза — изготовление алмазных преобразователей из радиоактивного углерода-14, обладающего чрезвычайно большим периодом полураспада, — 5700 лет. О разработке таких генераторов сообщали физики из университета Бристоля.
Будущее ядерных батареек
Также в разработке компактных ядерных батарей заинтересована космическая промышленность. В частности, в настоящее время существует потребность в автономных беспроводных внешних датчиках и микросхемах памяти со встроенной системой питания для космических аппаратов. Алмаз является одним из наиболее радиационно стойких полупроводников, и за счёт большой ширины запрещённой зоны может функционировать в широком диапазоне температур, что делает его идеальным материалом для создания ядерных батарей космических аппаратов.
Учёные планируют продолжить свои исследования в области ядерных батарей и предлагают основные направления развития данной тематики. Во-первых, это повышение обогащения никеля-63 в батарее, что приведёт к линейному росту мощности. Во-вторых — разработка алмазной p-i-n структуры с контролируемым профилем легирования, которая позволит увеличить напряжение, а значит, и полезную мощность батареи в 3 и более раза. В-третьих — увеличение площади поверхности преобразователя, что позволит разместить больше атомов никеля-63 на одном преобразователе.
Первый мобильный телефон был создан более сорока лет назад. Наука прогрессирует, безусловно. И кто бы мог подумать в то время, что спустя сорок лет на свет выйдет атомная батарея для телефона? Да, наука шагает не семимильными шагами, но все же со значительными прорывами во многих областях, особенно в последнее время. И эта статья будет посвящена именно теме использования атомных аккумуляторов в современных устройствах.
Вступление
Сейчас рынок смартфонов – одно из самых перспективных направлений электроники. Эта сфера динамично развивается, не останавливаясь ни на минуту. Казалось бы, вот только в продажу поступил iPhone 3, а на прилавках магазинов сотовой связи красуются уже iPhone 6 и iPhone 6 Plus. Стоит ли говорить о том, какой путь прошли инженеры компании, чтобы порадовать пользователей новейшей аппаратной частью?
То же самое можно сказать и об Android, и о Windows Phone. Еще пару лет назад весь школьный класс собирался вокруг счастливчика, у которого был телефон на базе операционной системы Android. А когда кому-нибудь удавалось лично поиграть в приложение, в котором управлять действием можно было при помощи поворота экрана (особенно если эта игра была из разряда гонок), он буквально сиял от счастья.
В настоящее время этим уже никого не удивишь. Даже первоклассники сейчас спокойно пользуются телефонами компании Apple без особой радости и восторга, не представляя, как им на самом деле повезло. Еще бы, они же просто не знают, что когда-то существовали телефоны, работающие при помощи кнопочного, а не сенсорного управления. Что на тех телефонах было всего пара-тройка игр. И что даже змейка на двухцветном экране Nokia 1100 была для детей того времени поводом для бескрайнего восторга, а играли в нее едва ли не дни напролет.
Безусловно, тогда игры были гораздо менее качественными. Пользоваться подобными телефонами можно было несколько дней, не применяя подзарядку. Сейчас же игровая индустрия в сфере смартфонов вышла на более качественный уровень, а это требует более мощных телефонных аккумуляторов. Сколько, по вашему мнению, способен продержаться самый современный, самый мощный в плане автономной работы смартфон?
Нужна ли нам атомная батарейка?
Заверяем вас, что даже при пассивном использовании он (смарфтон) вряд ли продержится более 3 суток. В качестве источников питания в современных смартфонах используются батареи литий-ионного типа. Чуть реже встречаются модели, работающие на полимерных аккумуляторах. На самом деле подобные телефоны не выдерживают очень долгой работы. Играть в них во время автономной работы, смотреть на них фильмы можно считанное количество часов, которое обычно не превышает десяти. Компании-производители подобных аппаратов соревнуются сразу по нескольким направлениям. Наиболее активно идет борьба за первое место по следующим критериям:
- Аппаратное оснащение и быстродействие.
- Габариты (если конкретнее, то борьба идет за снижение толщины).
- Мощный автономный источник питания.
Как мы видим, вопрос о том, нужна ли нам атомная батарейка для телефона, остается открытым. По расчетам ученных, телефоны в будущем можно будет оснастить батареями, которые работают по принципу реакции ядерного элемента под названием “тритий”. В таком случае телефоны смогут работать без подзарядки вплоть до 20 лет, по самым скромным подсчетам. Впечатляет, не правда ли?
Как нова идея об атомной батарее?
Идея создания миниатюрных атомных реакторов (речь идет об атомных аккумуляторах) появилась в светлых головах не так уж и давно. Было выдвинуто предположение о том, что использование подобного оснащения в соответствующих технических устройствах позволит разобраться с проблемой не только необходимости постоянной подзарядки, но и с другими.
ТАСС: атомная батарейка своими руками. Рассказывают инженеры
Первое заявление об изобретении батарейки, которая будет работать, основываясь на атомной энергии, сделало подразделение отечественного концерна под названием “Росатом”. Это был “Горно-химический комбинат”. Инженеры рассказали о том, что первый источник питания, который позиционируется как атомная батарейка, может быть создан уже в 2017 году.
Принцип работы будет заключаться в реакциях, которые произойдут при помощи изотопа “Никель-63”. Если говорить конкретнее, то речь идет о бета-излучении. Интересно, что батарейка, построенная по этому принципу, сможет работать примерно полвека. Размеры же будут очень и очень компактными. Для примера: если вы возьмете обыкновенную пальчиковую батарейку и сожмете ее в 30 раз, то вы сможете наглядно увидеть, какой размер будет иметь атомный аккумулятор.
Безопасна ли атомная батарея?
Инженеры абсолютно уверены в том, что такой источник питания не будет представлять никакой опасности для здоровья человека. Причиной такой уверенности стала конструкция батарейки. Безусловно, прямое бета-излучение любого изотопа будет наносить вред живому организму. Но, во-первых, в данном аккумуляторе оно будет “мягким”. Во-вторых, даже это излучение не выйдет наружу, поскольку оно поглотится внутри самого источника питания.
В связи с тем, что атомные батарейки “Россия А123” будут поглощать излучении внутри себя, не выпуская его наружу, эксперты уже сейчас строят стратегический прогноз на использование атомного аккумулятора в различных сферах медицины. Например, его могут внедрить в конструкцию кардиостимуляторов. Вторым по перспективности направлением является космическая индустрия. На третьем месте, конечно же, находится промышленность. За пределами тройки лидеров находится много ответвлений, в которых можно будет успешно использовать атомный источник энергии. Наиболее, пожалуй, важное из них – транспорт.
Недостатки атомного источника питания
Что же мы получаем взамен атомного аккумулятора? Так сказать, а что мы увидим, если посмотрим с другой стороны? Во-первых, производство подобных автономных источников энергии обойдется в копеечку. Инженеры точных сумм не пожелали назвать. Быть может, побоялись сделать неверно досрочные выводы. Однако была дана приблизительная оценка не в цифрах, а в словах. То есть “все очень дорого”. Что же, этого вполне следовало ожидать, прикинув суть дела просто логически. О серийном выпуске в промышленных масштабах говорить, пожалуй, слишком рано. Остается надеяться только на то, что со временем будут найдены альтернативные технологии, позволяющие создать атомный аккумулятор без ущерба его надежности и практичности, но гораздо дешевле.
К слову, ТАСС оценило 1 грамм вещества в 4 тысячи долларов. Таким образом, чтобы набрать необходимую массу атомного вещества, которое обеспечит долговременное использование батареи, в настоящее время необходимо потратить 4,5 миллиона рублей. Проблема заключается в самом изотопе. В природе его просто-напросто не существует, создают изотоп при помощи специальных реакторов. В нашей стране их всего лишь три. Как говорилось раньше, может, со временем удастся использовать другие элементы, чтобы снизить затраты на производство источника.
Томск. Атомная батарейка
Изобретением атомных аккумуляторов занимаются не только профессиональные инженеры и конструкторы. Недавно студент Томского политехнического университета, обучавшийся в аспирантуре, разработал модель нового аккумулятора, работающего на ядерной основе. Зовут этого человека Дмитрий Прокопьев. Его разработка способна в нормальном режиме функционировать 12 лет. За это время ее не нужно будет заряжать ни разу.
Преимущества трития
По сравнению с атомным аккумулятором, который имеет кремниевый детектор, атомная батарейка на основе трития не изменяет своих характеристик со временем. И это является ее несомненным плюсом, надо отметить. Протестировали изобретение в Новосибирском институте ядерной физики, а также в физико-техническом институте Томского университета. Атомная батарейка, принцип работы которой основан на ядерной реакции, имеет определенные перспективы. Это, как правило, сфера электроники. Наряду с ней стоят военная техника, медицина и аэрокосмическая отрасль. Об этом мы уже говорили.
Заключение
При всей дороговизне производства атомных аккумуляторов будем надеяться на то, что мы все же встретим их в телефонах ближайшего будущего. Теперь пара слов об элементе, который будет составлять основу аккумулятора. Тритий, безусловно, по своей природе - ядерный. Однако излучение данного элемента слабое. Навредить человеческому здоровью оно не может. Внутренние органы и кожа не пострадают от умелого использования. Именно поэтому для использования в батареях был выбран именно он.
Эта заметка про.. атомные батарейки, которые не требуют зарядки на протяжении 20 лет. Это стало возможным благодаря чудесам ядерного распада, ведь в качестве активного вещества в такой ядерной батарейке используется тритий. Если точнее, - радиоактивный изотоп трития с периодом полураспада в 12,3 года. При этом излучение, вызванное распадом трития, считается безопасным, и не в состоянии навредить даже верхнему слою кожи. В целом использование таких источников питания на данный момент довольно специфичное - труднодоступные потребители, возможно работающие в экстремальных условиях (батарейки выдерживают температуры от -50 до +150 градусов по Цельсию, широкий диапазон давлений и вибраций) и потребляющие незначительную мощность.
Выдержка из пресс-релиза производителя:
NanoTritium ™ betavoltaic может служить источником питания непрерывного питания в течение двадцати лет или более для различных платформ в микроэлектронике. Области применения: датчики давления/температуры, медицинские имплантанты, капельная зарядкя литиевых батарей, полу-пассивные и активные системы идентификации (Radio Frequency Identification), часы, SRAM-память, питание маломощных процессоров (например, ASIC, FPGA, т.д.).
NanoTritium ™ betavoltaic доступна в нескольких конфигурациях напряжения/тока.
Один такой аккумулятор способен выдавать от 0.8 до 2.4 В и от 50 до 300 нА в течении 20 лет. Технические показатели конечно не ахти, но производитель обещает в следующем поколении батареек поднять мощность до десятков микроватт. Кроме того, батарейки следующего поколения будут выдерживать всплески мощности до милливат в течении нескольких минут, что будет обеспечиваться подключением резервных тонкопленочных батарей. Стоимость аккумулятора на сегодняшний день составляет 1122$
Читайте также: