Уже скоро світ портативної електроніки може радикально змінитися, адже звичні літій-іонні акумулятори замінить атомна батарейка, заряду якої вистачатиме до 90 років. Багато користувачів злякалися того, що доведеться носити в кишені радіоактивне джерело. Заспокоїти страхи можна, розібравшись в принципі роботи такої атомної батарейки.
Використання радіоактивного розпаду для отримання електроенергії називається бетавольтаїкою. Цей ефект давно знайомий та реалізований на практиці у багатьох проектах ще з 1970-х років. Наприклад в 2018 році вулкан Стромболі на Сицилії почали досліджувати за допомогою робота на радіоактивній батарейці.
Як працює бетавольтаїка
Звичайні хімічні джерела енергії, включаючи літій-іонні акумулятори, дозволяють за короткий період часу отримати велику кількість енергії. Але загальна кількість накопиченої в ньому невелика і тому за кілька годин він розряджається.
Атомні батарейки зберігають енергію у вигляді радіоактивного ізотопу. Такі ізотопи нестабільні, порівняно зі звичайними не радіоактивними матеріалами, і відносно швидко розпадаються, вивільняючи бета-випромінювання – так називають потік заряджених часток. Коли це потік негативно заряджених часток – це потік електронів, тобто чиста електроенергія.
Однак зібрати цей потік заряджених часто складно, тому використовують посередник для конвертації. Найчастіше це напівпровідник, який при бета-опроміненні виділяє електрони.
Дуже наближено радіоактивна батарейка схожа на сонячну панель. У останній також використовується напівпровідник. Тільки у сонячній панелі електрони виділяються при опроміненні світлом, а у бетавольтаїці – бета-потоком.
Найкраща атомна батарейка перетворює лише 7% енергії атомного розпаду на електрику. Максимальний теоретичний рівень – 37%.
Енергія атомної батарейки
В атомних батарейках кожен розпад атому генерує крихітну кількість енергії. Для її збільшення можна брати елемент, який надає більше енергії при одному розпаді або елемент, що швидко розпадається. У будь-якому випадку загальна кількість отриманої енергії виходить невелика порівняно з енергією, яку можуть віддати літій-іонні акумулятори.
Нинішнє покоління бетавольтаїки придатне для живлення лише крихітних сенсорів. Вони не підходять ні для смартфона, ні, тим паче, для електромобілів.
«Чи можемо ми живити електромобіль?, – каже директор компанії Arkenlight Морган Бордман. Його фірма розробляє елементи живлення на базі бетавольтаїки. – Для живлення такого споживача маса батарейки буде значно більшою за масу автомобіля».
Зате атомна батарейка виявляється незамінною там, не незручно або неможливо регулярно заряджати звичайний акумулятор та міняти його кожні кілька років. Це, наприклад, сенсори в небезпечних зонах або супутники. Також це можуть бути медичні гаджети, наприклад, кардіостимулятор і носима електроніка.
Наскільки це безпечно
Хоча бета-випрмінювання є радіацією, але від нього досить легко захиститися. Кілька міліметрів будь-якої речовини зі щільністю близько 1 г/см2 (будь-який метал, наприклад) практично повністю поглинає навіть найпотужніші бета-частинки з енергією близько 1 мегаелектронвольт.
Тобто від зовнішнього бета-випромінювання легко захистить, наприклад, алюмінієвий чи скляний корпус – популярні матеріали в електроніці.
«Зазвичай навіть корпусу батарейки досить для блокування будь-якого випромінювання, – каже науковець лабораторії Пасіфік Нортвест Ланс Хаббард. – Начиння всередині також мало радіоактивне. Це робить їх дуже безпечними для людей».
Основна небезпека бета-випромінювання – якщо проковтнути чи вдихнути радіоактивну частинку. Особливо небезпечно, якщо це елементи, що здатні накопичуватися і тривалий час перебувати в організмі
Власне, ми майже щодня стикаємося з радіоактивними матеріалами. Це, наприклад, «цілющі» талісмани та «оздоровлюючі» устілки з торієвим наповнювачем, які українці замовляють з китайських онлайн-магазинів. Радіоактивні матеріали використовуються в побутових детекторах диму. Вони надають світіння знакам екстреного виходу в приміщеннях та стрілкам в деяких годинниках.
А коли радіоактивна батарейка вичерпає свій ресурс вона просто перестане бути радіоактивною.
Діамантові батарейка – дешево та ефективно
Нещодавно у сфері бетавольтаїки стався прорив, який дозволив використовувати відходи атомних станцій для виготовлення атомних батарейок. На атомних станціях для керування розпадом урану використовується графіт. З часом він насичується радіацією і сам стає радіоактивним у вигляді ізотопу вуглець-14.
Вуглець-14 перетворили на діамант із вбудованим напівпровідниковим шаром. Це підвищило ефективність такої батареї.
Використання відходів атомних станцій робить атомну батарейку дуже дешевою. Адже станції генерують десятки тонн графітних відходів. При цьому лише 50 кг вуглецю 14 достатньо для мільйонів атомних батарейок.
За матеріалами: Wired
