Безпечна ядерна батарея, яка може прослужити все життя

Перезаряджувані літій-іонні (Li-ion) батареї в різноманітних пристроях зазвичай працюють від декількох годин до декількох днів між зарядками. Однак при багаторазовому використанні батареї зношуються і вимагають більш частого заряджання. Нині дослідники розглядають радіовуглець як джерело для безпечних, компактних і доступних ядерних батарей, які можуть працювати десятиліттями або довше без підзарядки.  

Су-Іл Ін (Su-Il In), професор Інституту науки і технологій Тегу Кьонбук, представив свої результати на весняному засіданні Американського хімічного товариства (ACS).

Часте заряджання літій-іонних батарей — це не просто незручність. Вона обмежує можливості технологій, які використовують ці батареї для живлення, таких як дрони та обладнання дистанційного зондування. Батареї також шкідливі для навколишнього середовища: видобуток літію вимагає великих витрат енергії, а неналежна утилізація літій-іонних батарей може призвести до забруднення екосистем. Але з ростом популярності підключених пристроїв, дата-центрів та інших обчислювальних технологій зростає попит на батареї з тривалим терміном служби. 

І більш досконалі літій-іонні батареї, швидше за все, не є відповіддю на цю проблему. «Продуктивність літій-іонних батарей практично досягла межі», — каже Ін, який займається дослідженнями в галузі енергетичних технологій майбутнього. Тому Ін і члени його команди розробляють ядерні батареї як альтернативу літію.

Ядерні батареї генерують енергію шляхом використання високоенергетичних частинок, що випромінюються радіоактивними матеріалами. Не всі радіоактивні елементи випромінюють радіацію, шкідливу для живих організмів, а деякі види радіації можуть бути заблоковані певними матеріалами. Наприклад, бета-частинки можуть бути екрановані тонким листом алюмінію, що робить бетавольтаїку потенційно безпечним вибором для ядерних батарей. 

Дослідники створили прототип бетавольтаїчної батареї з використанням вуглецю-14, нестабільної і радіоактивної форми вуглецю, що називається радіовуглецем. «Я вирішив використовувати радіоактивний ізотоп вуглецю, тому що він генерує тільки бета-промені», — каже Ін. Крім того, радіовуглець, який є побічним продуктом атомних електростанцій, недорогий, легко доступний і простий в переробці. А оскільки радіовуглець розкладається дуже повільно, батарея на радіовуглецевому паливі теоретично може прослужити тисячоліття. 

У типовій бетавольтаїчній батареї електрони вдаряються об напівпровідник, що призводить до виробництва електроенергії. Напівпровідники є важливим компонентом бетавольтаїчних батарей, оскільки вони в першу чергу відповідають за перетворення енергії. Отже, вчені досліджують передові напівпровідникові матеріали для досягнення більш високої ефективності перетворення енергії — показника того, наскільки ефективно батарея може перетворювати електрони в корисну електроенергію. 

Щоб значно підвищити ефективність перетворення енергії в своїй новій конструкції, Ін і його команда використовували напівпровідник на основі діоксиду титану, матеріал, широко використовуваний в сонячних батареях, сенсибілізований барвником на основі рутенію. Вони посилили зв'язок між діоксидом титану і барвником за допомогою обробки лимонною кислотою. Коли бета-промені з радіовуглецю стикаються з обробленим барвником на основі рутенію, відбувається каскад реакцій перенесення електронів, який називається електронною лавиною. Потім лавина проходить через барвник, і діоксид титану ефективно збирає згенеровані електрони.

Нова батарея також містить радіоактивний вуглець в аноді, сенсибілізованому барвником, і в катоді. Обробивши обидва електроди радіоактивним ізотопом, дослідники збільшили кількість генерованих бета-променів і зменшили пов'язану з відстанню втрату енергії бета-випромінювання між двома структурами.

Під час демонстрації прототипу батареї дослідники виявили, що бета-промені, що виділяються радіоактивним вуглецем на обох електродах, запускали фарбу на основі рутенію на аноді, яка генерувала електронну лавину, що збиралася шаром діоксиду титану і проходила через зовнішній ланцюг, в результаті чого отримувалася придатна для використання електроенергія. У порівнянні з попередньою конструкцією, в якій радіовуглець знаходився тільки на катоді, батарея дослідників з радіовуглецем в катоді і аноді мала набагато вищу ефективність перетворення енергії, яка збільшилася з 0,48% до 2,86%.

За словами Іна, ці довговічні ядерні батареї можуть знайти безліч застосувань. Наприклад, кардіостимулятор буде працювати протягом усього життя людини, що виключить необхідність хірургічної заміни. 

Однак ця бетавольтаїчна конструкція перетворювала лише невелику частину радіоактивного розпаду в електричну енергію, що призводило до нижчої продуктивності в порівнянні зі звичайними літій-іонними батареями. Ін припускає, що подальші зусилля з оптимізації форми джерела бета-випромінювання і розробки більш ефективних поглиначів бета-випромінювання можуть підвищити продуктивність батареї і збільшити вироблення енергії.

У міру зростання занепокоєння з приводу клімату громадська думка про ядерну енергію змінюється. Але вона, як і раніше, вважається енергією, що виробляється тільки на великих електростанціях у віддалених місцях. За допомогою цих батарей з бетавольтаїчними елементами з двома джерелами, пофарбованими барвником, Ін каже: «Ми можемо помістити безпечну ядерну енергію в пристрої розміром з палець».

Дослідження було профінансовано Національним дослідницьким фондом Кореї, а також Програмою досліджень і розробок Інституту науки і технологій Тегу Кенбук Міністерства науки та інформаційно-комунікаційних технологій Кореї.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI