Физики из Университета Бристоля в Великобритании рассказали про концепцию "вечной" батареи на основе алмаза из радиоактивного изотопа углерода-14.
Период полураспада этого элемента составляет почти шесть тысяч лет, то есть даже половину своей мощности батарея потеряет лишь через тысячи лет, отмечается в пресс-релизе.
По словам разработчиков, устройство также поможет в утилизации ядерных отходов, поскольку источником углерода-14 являются графитовые стержни ядерных реакторов.
Используемые сегодня традиционные радиоактивные батареи (или радиоизотопные термоэлектрические генераторы – РИТЭГи) работают благодаря теплу, которое выделяется в ходе распада радиоактивных элементов.
В разных точках такого устройства создаётся разница температур, и термоэлектрический эффект позволяет преобразовать эту разницу в электричество.
У таких установок КПД составляет 4-5% — эффективность небольшая, но зато они способны работать в течение очень долгого времени. К примеру, РИТЭГ на основе плутония-238 снабжает энергией аппарат "Вояджер-2", который до сих пор передаёт на Землю радиосигналы. Напомним, что он находится в полёте с 1977 года и его нынешнее удаление от Солнца превышает 111 астрономических единиц.
Кроме плутония-238 в РИТЭГах используется стронций-90, изотопы кюрия, полония и другие радиоактивные частицы – все они являются частью радиоактивных отходов.
Существуют, кроме того, электрогенераторы другого типа – бета-вольтаические (betavoltaics). Они работают благодаря энергии, генерируемой при радиоактивных распадах. Концепция именно их работы и вдохновила британских физиков. В устройствах этого типа при взаимодействии с электронами, выброшенными ядрами при бета-распаде, образуются пары электрон-дырка, и они напрямую конвертируются в электрический ток.
Традиционно для бета-вольтаических генераторов используется тритий. Однако исследователи в своей новой работе предложили заменить его углеродом-14 из графитовых стержней (элементы уран-графитового ядерного реактора, которые также подлежат утилизации после работы).
В работе ядерного реактора графитовые стержни эксплуатируются в виде сборок (до 180 стержней вместе и более). Их опускают и поднимают из активной зоны, чтобы регулировать интенсивность течения ядерной реакции. При этом графитовые стержни насыщаются изотопом углерода-14.
Отслеживая работу ядерного реактора, физики обратили внимание, что углерод-14 концентрируется в основном на внешних областях стержней — там, где рядом с ними располагаются урановые стержни. Нужный материал можно эффективно получать путём нагрева, при этом графитовые стержни лишаются части опасной радиоактивности (испускаемые частицы не пробегут и нескольких сантиметров в воздухе, но всё же такое вещество опасно для природы).
Выделенный углерод-14 можно использовать для выращивания искусственных алмазов, применив осаждение из газовой фазы.
Поскольку алмазы способны эффективно преобразовывать ионизирующее излучение в слабый ток, их даже предложили использовать как детекторы радиации – производительность должна быть невероятно высока.
Бета-частицы, испускаемые углеродом-14, взаимодействуя с кристаллической решёткой алмаза, будут порождать электроны. В результате чего и генерируется электричество.
По словам физиков, обезопасить такой бета-вольтаический элемент можно будет, покрыв "радиоактивный" алмаз с углеродом-14 обычной (нерадиоактивной) алмазной плёнкой, которая сдержит вредное излучение.
Поскольку период полураспада углерода-14 составляет 5730 лет, элемент на его основе сможет проработать беспрецедентно долго (через пять тысячелетий он всё ещё будет выдавать половину мощности).
Ранее подобные батареи создавались с использованием никеля-63, а также карбида кремния. В первом случае удельная мощность элемента, может, была бы и немаленькой, однако период полураспада никеля-63 составляет сто лет (к слову, разработка принадлежит учёным МИСиС). А во втором случае речь может идти лишь о питании маломощных датчиков.
Предложенный способ должен стать относительно недорогим: по приблизительным подсчётам, британские АЭС за десятилетия работы оставили почти сто тысяч тонн использованных графитовых стержней. Экологические преимущества метода также очевидны: вреда для окружающей среды в этом случае практически не будет.
"Вечные" батарейки, по мнению учёных, можно будет использовать в космической отрасли, а также в медицине (например, для питания имплантатов). Так как прямого контакта радиоактивного вещества с кожей или внутренними органами не будет (а поломать оболочку пусть и искусственного алмаза практически невозможно – это один из самых твёрдых материалов в мире), то такие устройства будут полностью безопасны для человека.
Добавим, что радиоактивный распад углерода-14 сегодня активно применяется в археологии для датировки различных объектов биологического происхождения (так называемый метод радиоуглеродного анализа). Возраст объектов определяется по количеству оставшихся в артефактах изотопов углерода.
Ознакомиться с научной статьёй британских физиков можно на сайте издания PLOS ONE.
Напомним также, что ранее американские учёные создали новую модификацию твёрдого углерода, получившую название Q-углерод, а российские физики представили уникально прочные наноалмазы.
