ВходЧто такое атомная батарейка. Атомные батарейки
Разрабатываемая атомная батарейка на основе углерода-14 отличается рядом преимуществ по сравнению с атомными батарейками на основе других радиоактивных изотопов, а именно: экологичностью, дешевизной и длительным периодом эксплуатации. Эти преимущества обеспечиваются, во-первых, за счет применения в атомной батарейке углерода-14 в качестве радиоактивного источника. Период полураспада этого элемента составляет 5700 лет и при этом, в отличие, например, от Ni-63, углерод-14 нетоксичен и отличается низкой стоимостью.
Технология находится в процессе разработки!
Атомная батарейка:
Атомная батарейка — эта технология , которая базируется на идее преобразования энергии, которую излучает радиоактивный источник, в электрическую энергию. Простейшая атомная батарейка состоит из источника излучения и отделенного от нее диэлектрической пленкой коллектора. При распаде радиоактивный источник испускает бета-излучение, вследствие чего он заряжается положительно, а коллектор — отрицательно и между ними возникает разность потенциалов.
Над созданием источников питания, которые могли бы работать за счет энергии радиоизотопов, сейчас трудятся ученые по всему миру. Образцы ядерных батареек существуют и в России, и в США, и в других странах. При этом в качестве радиоактивных источников используется тритий, Ni-63 и углерод-14.
Атомная батарейка на основе углерода -14 отличается рядом преимуществ по сравнению с атомными батарейками на основе других радиоактивных изотопов, а именно: экологичностью, дешевизной и длительным периодом эксплуатации.
Эти преимущества обеспечиваются, во-первых, за счет применения в атомной батарейке углерода-14 в качестве радиоактивного источника. Период полураспада этого элемента составляет 5700 лет и при этом, в отличие, например, от Ni-63, углерод-14 нетоксичен и отличается низкой стоимостью.
Второе отличие атомной батарейки на основе углерода-14 состоит в том, что в качестве «подложки» под радиоактивный элемент используется принципиально новая структура – пористая карбидокремниевая гетероструктура. Технология производства карбидной пленки путем ее наращивания на готовой кремниевой подложке «методом эндотаксии» позволяет уменьшить стоимость «подложки» в 100 раз, что делает атомную батарейку дешевой.
Неоспоримым плюсом карбидокремниевой гетероструктуры также является ее устойчивость к радиации . При излучении изотопа она остается практически неизменной, что и позволяет говорить о том, что такая атомная батарейка будет работать неограниченно долгое время.
Карбид кремния — это тоже полупроводниковый материал. Он химически более устойчив, способен работать при температуре до 350 градусов. Кремниевые датчики температур работают максимум до 200. Карбид кремния работает при температуре на 150 градусов выше. Он в 10 раз радиационно пассивнее и устойчивее, чем кремний.
Преимущества атомной батарейки на основе углерода-14:
— углерод-14 нетоксичен,
— низкая стоимость атомной батарейки по сравнению с другими атомными батарейками на основе других радиоактивных источников,
— длительный период эксплуатации — срок службы более 100 лет,
— безопасность. Бета-излучение обладает малой проникающей способностью и задерживается оболочкой атомной батарейки,
— возможность работать в экстремальных условиях – при сверх низких и высоких температурах.
Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com
Новая система земледелия Овсинского И.Е....
Стеклоткань
Биоразлагаемые пакеты
Резина для шин, экономящая до 30% горючего...
Утилизация опасных отходов, содержащих тяжелые мет...
Снижение вязкости нефти
Берегоукрепление дамбами в чрезвычайных ситуациях...
Утеплитель эковата для монолитного утепления и зву...
Компания City Labs начала выпуск настоящих атомных батареек NanoTritium. Источником энергии в этих батарейках служит распад сверхтяжелого водорода - трития. Батарейка изготавливается в корпусе микросхемы, на данный момент ее стоимость достаточно велика и составляет около $1000. Тритий входит в десятку самых дорогих веществ в мире и его грамм стоит $30000.
Тритий - это радиоактивный изотоп водорода. Ядро трития составляет протон и два нейтрона. При распаде тритий превращается в 3He. Период полураспада примерно 13 лет. Энергия испускаемых электронов мала - от 6.5 кэВ до 18.59 кэВ. Излучение останавливается такими преградами, как одежда или даже кожа человека. В герметической упаковке тритий безвреден. Пары трития все же представляют радиационную опасность. Впрочем, в атомных батарейках NanoTritium его настолько мало, что данная проблема не актуальна. Один кубический миллилитр тритиевого газа обладает активностью около 94 ГБк.
Тритий уже давно используется в ряде устройств. К примеру, его можно встретить на стрелках светящихся в темноте часов. Светящиеся элементы часов изготавливаются как герметичные колбы, заполненные газом трития. Стенки колб изнутри покрывают слоем люминофора. Принцип работы свечения достаточно прост. Электроны, испускаемые тритием при бета-распаде, соударяются с люминофором, поглощаются им, заставляя светиться.
Принцип работы атомной батарейки достаточно прост: распад трития - это бета-распад, ядро трития превращается в ядро гелий-3, и вылетает один электрон обладающий высокой энергией. Тритий закачивают в ячеистый, или можно сказать губчатый, рабочий объём из кремния. В кремнии каждый электрон высокой энергии создаёт огромное число электронно-дырочных пар. По сути, подобные процессы протекают в обычных фотоэлементах - с той лишь разницей, что в фотоэлементе один фотон порождает только одну пару (просто потому, что энергия оптического фотона в тысячи раз меньше, чем энергия бета-электрона). Дальше, достаточно, замкнуть цепь и потечёт ток.
Атомный источник питания от City Labs способен выдерживать перепад температур от -50 до 150 градусов Цельсия, а также хорошие перепады высот. Этот аккумулятор способен работать на протяжении 20 лет и выдавать до 2.4В с силой тока 50-300 наноампер.
Даже столь низкий ток вполне достаточен для питания многих устройств. Например, специальные прослушивающие устройства. Радиоактивность тритиевых элементов не выходит за пределы корпуса, и не может быть обнаружена, в сочетании с современными цифровыми технологиями кодирования сигнала такие элементы питания позволяют создать идеальную "прослушку". В медецине, также атомные батарейки NanoTritium могут использоваться для питания кардиостимуляторов.
Элементы питания на тритии - не единственная разработка изотопных источников питания. На американских междпланетных станциях "Пионер" и "Вояджер" используются плутониевые радиоизотопные источники. Их мощность уже существенно - порядка 400 ватт. И, между прочим, они были изготовлены более сорока лет назад и работают по сей день.
Создание портативного одноразового источника питания, срок службы которого измерялся бы не сутками или месяцами, а годами, прежде покорилось специалистам Корнельского университета. Элемент питания, в качестве базы для которого был выбран радиоактивный изотоп никеля-63, мог похвастаться непрерывным сроком службы до 50 лет. Но, разумеется, не обошлось и без существенных ограничений в номинальных параметрах «ядерной батарейки». Всё дело в том, что принцип, на котором строится работа таких устройств — сопровождающее распад никеля-63 испускание электронов для последующего заряда медной пластины — не позволял добиться серьёзной мощности источника питания. В итоге указанная характеристика для ядерных батареек находилась на уровне нескольких милливатт, что накладывало ряд существенных ограничений при её эксплуатации.
Решением описанной проблемы активно занялись учёные Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», которые вчера рапортовали о достигнутых успехах. Им удалось изготовить прототип уникальной «ядерной батарейки», способной, как и её предшественник родом из США, питать определённую электронику на протяжении 50 лет.
Как рассказали в «МИСиС», спроектированная ими «ядерная батарейка» обладает огромным потенциалом и имеет широкий спектр потенциально возможного применения, начиная от использования разработки в медицинском оборудовании и миниатюрных приборах для поддержания жизнедеятельности, заканчивая размещением такого источника питания в космических аппаратах. Команде инженеров под руководством профессора Юрия Пархоменко удалось воплотить на практике концепцию преобразования энергии бета-излучения в электрическую на основе монокристаллов пьезоэлектриков. Этот принцип и лёг в основу показанного образца автономной бета-вольтаической батареи переменного напряжения, первичным источником энергии для которой послужил хорошо знакомый изотоп никель-63.
Излучение выбранного в качестве источника электронов изотопа, несмотря на свою радиоактивность, характеризуется периодом полураспада в 100 лет и не несёт какой-либо угрозы для здоровья биологических организмов. Но главной особенностью прототипа отечественного производства стало применение импульсных источников питания для накопления и последующей отдачи заряда. За счёт этого учёные сумели обойти главный недостаток бета-вольтаической «ядерной батарейки» — их крайне малую мощность, сильно сужавшую сферы дальнейшего эффективного применения.
«В импульсном режиме один бета-вольтаический элемент способен выдавать мощность вплоть до 1 мВт/см 3 . При низких удельных мощностях энергетического материала батарейка, собранная на их основе, способна обеспечивать непрерывную выходную мощность 10-100 нВт/см 3 — достаточную, чтобы обеспечить питание кардиоимплантата», — объяснил технические особенности продемонстрированного решения господин Пархоменко.
Инновационная российская «ядерная батарейка», ставшая реальностью благодаря усилиям сотрудников «МИСиС», обладает всеми необходимыми для начала серийного производства и скорейшего внедрения технологии преимуществами. Здесь и сверхмалые габариты источника питания, и отсутствие пагубного влияния энергетического материала, и длительный срок эксплуатации в несколько десятков лет. Однако дойдёт ли дело до выпуска коммерческого образца — покажет время.
Сорок лет назад был создан первый мобильный телефон, а сегодня уже изобретена атомная батарея для него. Технологический прогресс в последние годы идет настолько уверенно, что на прилавках магазинов электроники появляются такие новинки, о которых еще совсем недавно писали фантасты.
Как вы считаете, сколько способен продержаться без подзарядки современный смартфон? Среднее время автономной работы подобного устройства составляет 1-3 суток. А если его оснастить аккумулятором, работающим на основе реакции трития, то это время можно будет растянуть до 20 лет!
Неужели телефоны могут работать на атомных аккумуляторах?
Подобная идея среди ученых появилась относительно недавно. По их предположению, использование атомной энергетики в работе современных гаджетов может решить множество проблем, связанных с постоянной необходимостью подзарядки.
Тритий является радиоактивным веществом, но его излучение слишком слабое. Оно неспособно навредить здоровью человека. От него не пострадает ни кожа, ни внутренние органы – это известно ученым с незапамятных времен. Именно радиоактивный тритий выступает своего рода топливом, которое будет содержаться в этих батареях.
Батарея представляет собой интегральную микросхему, источником энергии которой является ядерная реакция трития. Такой принцип работы позволяет производить 0.8 – 2.4 ватт энергии. И этот уровень вырабатываемой электроэнергии может поддерживаться на протяжении 20 лет, при этом радиоактивную батарею не придется подзаряжать.
Многие не подозревают, что тритий уже давно используется во многих сферах производства. Каждый из нас видел, либо носил часы, стрелки которых отчетливо светятся в темноте. В большинстве случаев для создания такого эффекта используется именно этот радиоактивный элемент. Он не получил распространения в основной сфере атомной энергетики из-за своего минимального радиоактивного излучения.
Среди особенностей аккумулятора, которому посвящен сегодняшний обзор, следует также выделить его устойчивость к внешним факторам. Он отлично работает при резких перепадах высоты, давления и температуры, а также демонстрирует хорошую стойкость при сильных вибрациях. Что касается температуры, то ее диапазон составляет от -50 до +150 градусов по Цельсию.
Несмотря на то, что эта идея еще не внедрена в производство, известна приблизительная стоимость атомной батареи - 124 доллара. Но далеко не каждый человек, даже если ему нужна высокая производительность его телефона, согласится на ношение в своем кармане крохотного радиоактивного источника энергии.
Старые электронные часы могли работать более года, используя одну маленькую батарейку. Но современные электронные устройства настолько многофункциональны, что проблема малой ёмкости современных аккумуляторов стоит в полный рост. Если смартфоны и планшеты имеют достаточно много места в корпусе, то компактная электроника вроде «умных» часов страдает от нехватки ёмкости особенно сильно, что существенно сдерживает рост её популярности. С другой стороны, футурологи пятидесятых — шестидесятых годов вовсю рисовали картины «светлого атомного будущего», где автомобили не нуждаются в заправке, а аккумуляторы — в зарядке.
Возможно, это будущее не совсем потеряно. Учёным из Университета Миссури удалось достичь существенного прогресса в области создания «атомных батареек». Не стоит пугаться, речь вовсе не идёт о карманном ядерном реакторе. Создание такого реактора на данном этапе развития технологий невозможно. Принципом действия батарея, созданная в стенах университета, очень напоминает обычные солнечные панели, но если процесс, протекающий в последних, называется «фотовольтаикой», то в описываемой разработке имеет место «бетавольтаика», то есть поглощение полупроводниковым устройством бета-излучения.
Нельзя сказать, что бета-излучение безвредно, но, в отличие от гамма-излучения, оно представляет собой поток заряженных частиц и имеет сравнительно небольшой пробег, около двух метров в воздухе и порядка десяти миллиметров в тканях тела. Но достаточно двух-трёх миллиметров алюминия или пары сантиметров органического стекла, чтобы полностью экранировать такой поток. В конструкции «атомной батарейки» используется электрод из диоксида титана, покрытый слоем платины, вода и источник бета-излучения. В качестве последнего используется изотоп стронций-90 с периодом полураспада около 29 лет. В процессе распада он испускает электрон (пресловутое бета-излучение), антинейтрино, а побочным эффектом реакции является иттрий-90. Последний имеет период полураспада всего 64 часа, также испускает электроны и антинейтрино, а в конце превращается в стабильный нерадиоактивный цирконий. Гамма-излучение в этих реакциях практически отсутствует.
Идея батарей, использующих процесс бетавольтаики, не нова, однако команде учёных Миссурийского Университета удалось существенно повысить их эффективность использованием… простой воды. Да, это не опечатка. Вода очень хорошо поглощает бета-излучение, предохраняет полупроводниковый приёмник от разрушения, а само излучение расщепляет молекулы воды, позволяя извлечь дополнительную порцию электроэнергии, а значит, повысить коэффициент полезного действия бета-батареи. Как заявил один из разработчиков, их решение слабо подвержено действию низких температур и может использоваться в самых различных сценариях, от автомобильных аккумуляторов до источников питания космических аппаратов.
Разумеется, нет никаких теоретических ограничений на использование этой технологии и в носимой электронике. Однако радиофобия очень широко распространена в наши дни, большинство людей незнакомы даже с азами ядерной физики и будут воспринимать любое упоминание «радиации» в штыки. Напуганные случаями возгорания обычных литий-ионных аккумуляторов, пользователи и слышать не захотят об «атомных батарейках», несмотря на их «вечность», хотя для безопасного использования бета-батареи достаточно прочного экранирующего корпуса и соблюдения элементарных правил техники безопасности. Литий-ионные аккумуляторы тоже не рекомендуется вскрывать и пробовать на зуб.
Но описанная технология непременно будет доведена до совершенства и найдёт себе применение в военной и космической отраслях, да и везде, где продолжительность жизни источника питания является критической характеристикой, перевешивающей все возможные риски. А там, кто знает — возможно, наши потомки преодолеют иррациональный страх перед атомными технологиями и будут безопасно и с удовольствием пользоваться их плодами.