Алмазная батарея, которая может работать тысячи лет. Не панацея, но тоже ничего

^{Источник изображения: bristol.ac.uk}

Ученые и инженеры из Великобритании разработали алмазную батарею ^[1] на основе радиоактивного изотопа углерода-14.

По словам авторов проекта, она способна работать тысячи лет. Исследование профинансировано Европейским космическим агентством (ESA). Сразу скажу, что это не элемент питания для телефона или, тем более, ноутбука. Она маломощная, но концепция интересная, причем возможно коммерческое использование. Подробности под катом!

Исследователи из Бристольского университета и Управления по атомной энергии Великобритании (UKAEA) создали батарею на базе изотопа углерода-14. Он широко применяется в науке и не только. Наиболее известен — в радиоуглеродном датировании. Период полураспада изотопа около 5 730 лет.

Принцип работы батареи схож с солнечными панелями: вместо преобразования света в электричество алмазная структура захватывает быстро движущиеся электроны, возникающие при распаде углерода-14, и преобразует их в электрический ток.

Как это работает

• Захват бета-частиц в алмазной структуре. Искусственные алмазы, созданные методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), играют ключевую роль. Они обладают способностью захватывать электроны, выбрасываемые в процессе распада.
• Преобразование кинетической энергии в электричество. Бета-частицы взаимодействуют с атомами углерода в алмазе. Взаимодействие приводит к генерации тока за счет возбуждения электронов в материале. По сути, энергия движения (кинетическая энергия) бета-частиц преобразуется в электрический ток.
• Инкапсуляция радиоактивного материала. Радиоактивный углерод-14 заключён в слои алмаза, которые действуют как защитная оболочка. Она поглощает излучение, предотвращая его выход в окружающую среду. Таким образом, батарея становится безопасной для использования, включая медицинские устройства.
• Низкие уровни мощности. Мощность таких батарей измеряется в микроваттах, что делает их подходящими для питания небольших устройств, таких как датчики, имплантаты или метки. Элемент питания может работать на протяжении тысяч лет, поскольку процесс распада идёт очень медленно.

Профессор Том Скотт, специалист по материаловедению из Бристольского университета, отметил, что эта микроэнергетическая технология может использоваться в разных отраслях.

• Космос: использование в качестве источника питания для спутников, исследовательских аппаратов и оборудования на орбите.
• Экстремальные условия: обеспечение энергией для глубоководных экспедиций, исследований в горах и других труднодоступных локаций.
• В медицине: длительная работа кардиостимуляторов, слуховых аппаратов и глазных имплантатов без необходимости замены на протяжении десятилетий.

Разработка алмазной батареи стала возможной благодаря достижениям в области термоядерного синтеза. Команда ученых и инженеров из UKAEA создала установку ^[2] для химического осаждения из газовой фазы (CVD), которая используется для выращивания искусственных алмазов. В этой установке создается плазма высокой плотности, активирующая газовую смесь, содержащую углерод. Атомы углерода осаждаются на подложке, формируя кристаллическую структуру алмаза. Добавление радиоактивного изотопа углерода-14 в процессе позволяет создавать алмазы, способные генерировать электричество за счет бета-распада.

Основное преимущество такого элемента питания — способность обеспечивать постоянный уровень мощности в микроваттах на протяжении тысяч лет.

«Алмазные батареи предлагают безопасный и устойчивый способ обеспечения непрерывного уровня мощности в микроваттах. Это новая технология, использующая искусственный алмаз для безопасного заключения небольших количеств углерода-14», — отметила директор по тритиевому топливному циклу в Управлении по атомной энергии Великобритании (UKAEA) Сара Кларк.

«Наша технология способна поддерживать широкий спектр важных применений — от космических технологий и устройств безопасности до медицинских имплантатов», — заявил ^[1] профессор Том Скотт из Бристольского университета. «Мы с энтузиазмом исследуем все эти возможности и особенности».

Есть и другие проекты «долгоиграющих» батарей. Американский стартап Nano Diamond Battery (NDB) разработал ^[3] бета-гальваническую батарею, способную работать тысячи лет. В августе 2020 года компания завершила успешные испытания прототипа и планировала начать коммерческое производство в конце того же года. Инвестором проекта выступил инкубатор Volkswagen Future Mobility.

Элемент состоит из синтетической алмазной оболочки, внутри которой находится радиоактивный сердечник. В процессе неупругого рассеивания бета-излучение преобразуется в электрический ток. В качестве топлива используются переработанные ядерные отходы углерода-14, что одновременно решает проблему их утилизации и обеспечивает долговечность элемента питания.

NDB утверждает, что их батареи безопасны для человека и окружающей среды: алмазная оболочка эффективно защищает от радиации, а в процессе работы не выделяется углекислый газ. Испытания, проведенные в Ливерморской национальной лаборатории и Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, подтвердили безопасность и эффективность устройства.

Разработка NDB демонстрирует эффективность преобразования энергии до 40%, что значительно выше показателей аналогичных решений. Срок службы батареи может достигать 28  000 лет, что превышает продолжительность эксплуатации большинства современных устройств.

Компания планирует выпускать батареи в различных форм-факторах, включая стандартные размеры AA, AAA и 18650, что позволит использовать их в существующих устройствах. Кроме того, такие батареи могут работать совместно с литий-ионными аккумуляторами, обеспечивая их постоянную подзарядку.

По словам представителя NDB Нила Найкера, новая технология способна полностью изменить представление о питании устройств: «Представьте себе мир, где вам не нужно заряжать аккумулятор в течение дня, недели или даже десятилетий. Это то, что мы можем предложить с нашей технологией».

Насколько все это реализуемо на практике — покажет только время. Что думаете по этому поводу? Пишите в комментариях.