Ученые создали «алмазные» батареи из ядерных отходов: где их можно использовать
Исследователи из Бристольского университета вырастили искусственный алмаз, способный генерировать электрический ток.
Летом 2018 года исследовательский дрон сбросил небольшой груз возле кромки Стромболи, вулкана у побережья Сицилии, который почти постоянно извергался в течение последнего столетия. Стромболи, один из самых активных вулканов на планете, привлекает геологов, но сбор данных возле жерла чреват опасностями. Поэтому группа исследователей из Бристольского университета создала робота-вулканолога и при помощи дрона доставила его на вершину вулкана. Робот должен был пассивно отслеживать каждое землетрясение и дрожь, пока не был уничтожен извержением. Робот представлял собой сенсорную капсулу размером с мяч для софтбола, питаемую микродозами ядерной энергии от радиоактивной батареи размером с квадратный кусочек шоколада. Свое творение исследователи назвали яйцом дракона.
"Яйца дракона" могут помочь ученым удаленно изучать опасные природные процессы.
Том Скотт, ученый-материаловед из Бристоля, и небольшая группа сотрудников разрабатывали усовершенствованную версию ядерной батареи "яйца дракона", которая может работать тысячи лет без подзарядки или замены. В отличие от батарей в большинстве современных электронных устройств, которые вырабатывают электричество в результате химических реакций, батарея Bristol собирает частицы, выброшенные радиоактивными алмазами, которые могут быть получены из преобразованных ядерных отходов.
Скотт и его сотрудник, химик из Бристоля Нил Фокс, создали компанию под названием Arkenlight для коммерциализации своей ядерно-алмазной батареи. Хотя батарея размером с ноготь все еще находится на стадии прототипирования, она уже демонстрирует повышение эффективности и удельной мощности по сравнению с существующими ядерными батареями. После того, как Скотт и команда Arkenlight доработают свой дизайн, они создадут пилотную установку для их массового производства. Компания планирует выпустить на рынок свои первые коммерческие ядерные батареи к 2024 году - только не стоит думать, что такие батареи появятся в ноутбуках.
Обычные химические или "гальванические" батареи, такие как литий-ионные элементы в смартфоне или щелочные батареи в пульте дистанционного управления, отлично подходят для выработки большого количества энергии за короткое время. Литий-ионный аккумулятор может проработать только несколько часов без подзарядки, а через несколько лет он потеряет значительную часть своей зарядной емкости. Ядерные батареи или бета-гальванические элементы, для сравнения, производят крошечные количества энергии в течение длительного времени. Они не вырабатывают достаточно энергии для питания смартфона, но в зависимости от ядерного материала, который они используют, они могут обеспечить стабильную подачу электричества для небольших устройств на протяжении тысячелетий.
"Можем ли мы привести в действие электромобиль? Ответ - нет", - заявил Морган Бордман, генеральный директор Arkenlight. По его словам, для того, чтобы привести в действие что-то, что потребляет много энергии, "масса аккумулятора будет значительно больше массы автомобиля". Вместо этого компания рассматривает ситуации, в которых невозможно или нецелесообразно регулярно менять батарею, например датчики в удаленных или опасных местах хранилищ ядерных отходов или на спутниках. Бордман также видит использование "ядерных аккумуляторов" для кардиостимуляторов.
Возможно многим людям не нравится идея иметь что-то радиоактивное рядом с собой. Но риск для здоровья от бетавольтаики сравним с риском для здоровья знаков "Выход", в которых используют радиоактивный материал, называемый тритием, для достижения характерного красного свечения. Бета-частицы можно задержать всего несколькими миллиметрами защиты.
"Внутри батареи вообще не радиоактивны, и это делает их очень безопасными для людей. Когда у ядерной батареи заканчивается заряд, она распадается до стабильного состояния, что означает отсутствие ядерных отходов", - сказал Лэнс Хаббард, ученый-материаловед из Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории, не связанный с Arkenlight.
Первые бетавольтаики появились в 1970-х годах, но до недавнего времени они не использовались. Первоначально они использовались в кардиостимуляторах, где неисправный блок питания может привести к смерти, пока в конечном итоге их не заменили на более дешевые литий-ионные альтернативы. Сегодня распространение маломощной электроники знаменует новую эру для ядерных батарей. "Это отличный вариант для очень небольшого количества энергии - мы говорим о микроваттах или даже пиковаттах", - говорит Хаббард.
Радиоактивный изотоп под названием углерод-14
Он наиболее известный своей ролью в радиоуглеродном датировании, позволяющем археологам оценить возраст древних артефактов.
Углерод-14 может функционировать как радиоактивный источник и как полупроводник. Он также имеет период полураспада 5700 лет, что означает, что ядерная батарея с углеродом-14 может, в принципе, обеспечивать питание электронного устройства дольше, чем у людей была письменность.
Скотт и его коллеги из Бристоля выращивают искусственные алмазы из углерода-14, вводя метан в водородную плазму в специальном реакторе. Когда газы ионизируются, метан разрушается, и углерод-14 собирается на подложке в реакторе и начинает расти. В результате получается кристаллический алмаз с бесшовной структурой, которая сводит к минимуму расстояние, которое должны пройти бета-частицы, и максимизирует эффективность ядерной батареи.
Углерод-14 естественным образом образуется, когда космические лучи сталкиваются с атомами азота в атмосфере, но он также образуется как побочный продукт в графитовых блоках в ядерных реакторах. Эти блоки в конечном итоге превращаются в ядерные отходы, и Бордман говорит, что только в Великобритании имеется около 100 000 тонн такого облученного графита.
