Ядерная батарея использует реакцию алмаза, помещенного вблизи радиоактивного источника, для самопроизвольного производства электроэнергии, пояснили ученые из Бристольского университета (Великобритания) в заявлении от 4 декабря. При этом не требуется никакого движения — ни линейного, ни вращательного. Это означает, что не требуется энергия для перемещения магнита по катушке или вращения якоря в магнитном поле для получения электрического тока, как это требуется в обычных источниках энергии.
По словам ученых, алмазная батарея собирает быстро движущиеся электроны, возбуждаемые излучением, подобно тому, как солнечная энергия использует фотоэлектрические элементы для преобразования фотонов в электричество.
Ученые из того же университета впервые продемонстрировали прототип алмазной батареи, в которой в качестве радиоактивного источника использовался никель-63, в 2017 году. В новом проекте команда разработала батарею из радиоактивных изотопов углерода-14, встроенных в изготовленные алмазы.
Исследователи выбрали углерод-14 в качестве исходного материала, потому что он испускает короткодействующее излучение, которое быстро поглощается любым твердым материалом, что означает отсутствие опасений по поводу вреда от излучения. Хотя углерод-14 было бы опасно проглотить или потрогать голыми руками, алмаз, в котором он находится, препятствует выходу любого короткодействующего излучения.
«Алмаз — самое твердое вещество, известное человеку; буквально нет ничего, что мы могли бы использовать для более надежной защиты», — сказал в своем заявлении Нил Фокс, профессор энергетических материалов в Бристольском университете.
Углерод-14 встречается в природе, но в больших количествах он образуется в графитовых блоках, которые используются для управления атомными электростанциями. Исследователи обнаружили, что изотип сконцентрирован на поверхности этих блоков.
Одна ядерно-алмазная батарейка, содержащая 0,04 унции (1 грамм) углерода-14, может производить 15 джоулей электроэнергии в день. Для сравнения, стандартная щелочная батарейка AA, которая весит около 0,7 унции (20 граммов), накапливает энергию в 700 джоулей на грамм. В краткосрочной перспективе она дает больше энергии, чем ядерно-алмазная батарейка, но в течение 24 часов она будет исчерпана.
Для сравнения, период полураспада углерода-14 составляет 5 730 лет, а это значит, что батарее потребуется столько времени, чтобы разрядиться до 50 % мощности. Это близко к возрасту самой древней цивилизации в мире. Для сравнения: космический корабль, питающийся от алмазной батареи из углерода-14, достиг бы Альфы Центавра — нашего ближайшего звездного соседа, который находится на расстоянии около 4,4 световых лет от Земли, — задолго до того, как его энергия была бы значительно истощена.
По словам ученых, батарея может быть использована в различных областях, включая электронику, медицинские приборы и космические путешествия. Среди конкретных применений — рентгеновские аппараты и медицинские приборы, которые должны работать в течение длительного времени, но требуют низкой мощности, например кардиостимуляторы, а также машины, работающие в сложных и опасных условиях, например нефтегазовое оборудование на морском дне. Батарею также можно сделать достаточно маленькой, чтобы питать радиочастотные метки для идентификации и отслеживания устройств и полезных грузов на Земле или в космосе.
Батарея, созданная на установке плазменного осаждения вблизи Абингдона, Оксфордшир, Великобритания, группой специалистов из Бристольского университета и Управления по атомной энергии Великобритании (UKAEA), не имеет движущихся частей и поэтому не требует обслуживания, а также не выделяет углекислого газа.
Таким образом, алмазные батареи открывают новые горизонты в области источников энергии, позволяя значительно снизить воздействие на окружающую среду благодаря своей долговечности и устойчивости. Исследователи прогнозируют, что такая технология могла бы революционизировать рынок энергетики, особенно в контексте глобальных усилий по переходу на устойчивые и экологически чистые источники энергии.
Одним из ключевых преимуществ ядерной батареи является ее независимость от традиционных форм питания, что делает ее идеальной для использования в отдаленных или труднодоступных районах, где электроэнергия может быть недоступна или дорогостоящей. Запуск научных экспедиций в Антарктиду или другие изолированные места станет более эффективным благодаря возможности использовать компактные и надежные батареи, которые могут работать в экстремальных условиях.
Кроме того, долговечность таких батарей делает их идеальными кандидатами для применения в космосе. Их способность работать в течение тысяч лет без необходимости замены или обслуживания потенциально открывает новые идеи для глубококосмических миссий. Это могло бы значительно упростить управление космическими аппаратами, позволяя сосредоточиться на научных исследованиях вместо технического обслуживания.
Одно из наиболее захватывающих применений батарей из углерода-14 заключается в медицинской технологии. В условиях, когда длительное и надежное питание особенно важно, такие батареи могут обеспечить бесперебойную работу медицинских устройств, таких как кардиостимуляторы, сводя к минимуму необходимость хирургического вмешательства для замены батарей. Это может значительно повысить качество жизни пациентов, особенно пожилых людей или людей с хроническими заболеваниями, которым нужно постоянное наблюдение и поддержка.
Кроме того, ядерные батареи могут найти применение в различных областях, включая научные исследования, мониторинг окружающей среды и интеллектуальные устройства. Например, применение в рентгеновских аппаратах вместо обычных источников питания откроет доступ к более легким и мобильным решениям, что, в свою очередь, повысит эффективность диагностики.
В каждом из этих применений у алмазных батарей есть потенциал стать важным шагом к новому этапу устойчивого развития и инноваций. Следующие этапы в исследованиях, вероятно, включают дальнейшие тесты на эффективность, надежность и безопасность в реальных условиях, чтобы подтвердить их коммерческую жизнеспособность и возможности.
Таким образом, алмазные батареи могут предоставить не только энергетическую революцию, но и новую эру в подходах к использованию и утилизации энергии, нацеленной на создание более устойчивого и безотходного будущего.
