Уже скоро мир портативной электроники может радикально измениться, ведь привычные литий-ионные аккумуляторы заменит атомная батарейка, заряда которой будет хватать до 90 лет. Многие пользователи испугались того, что придется носить в кармане радиоактивный источник. Успокоить страхи можно, разобравшись в принципе работы такой атомной батарейки.
Использование радиоактивного распада для получения электроэнергии называется бетавольтаїкою. Этот эффект давно знаком и реализован на практике во многих проектах еще с 1970-х годов. Например в 2018 году вулкан Стромболи на Сицилии начали исследовать с помощью робота на радиоактивной батарейке.
Как работает бетавольтаика
Обычные химические источники энергии, включая литий-ионные аккумуляторы, позволяют за короткий период времени получить большое количество энергии. Но общее количество накопленного в нем невелико и поэтому за несколько часов он разряжается.
Атомные батарейки хранят энергию в виде радиоактивного изотопа. Такие изотопы нестабильны, по сравнению с обычными не радиоактивными материалами, и относительно быстро распадаются, высвобождая бета-излучения – так называют поток заряженных частиц. Когда это поток отрицательно заряженных частиц-это поток электронов, то есть чистая электроэнергия.
Однако собрать этот поток заряженных часто сложно, поэтому используют посредник для конвертации. Чаще всего это полупроводник, который при бета-облучении выделяет электроны.
Очень приближенно радиоактивная батарейка похожа на солнечную панель. В последней также используется полупроводник. Только в солнечной панели электроны выделяются при облучении светом, а в бетавольтаїці – бета-потоком.
Лучшая атомная батарея преобразует только 7% энергии атомного распада в электричество. Максимальный теоретический уровень-37%.
Энергия атомной батарейки
В атомных батарейках каждый распад атома генерирует крошечное количество энергии. Для ее увеличения можно брать элемент, который придает больше энергии при одном распаде или быстро распадающийся элемент. В любом случае общее количество полученной энергии получается небольшое по сравнению с энергией, которую могут отдать литий-ионные аккумуляторы.
Нынешнее поколение бетавольтаики пригодно для питания лишь крошечных сенсоров. Они не подходят ни для смартфона, ни, тем более, для электромобилей.
«Можем ли мы питать электромобиль?, — говорит директор компании Arkenlight Морган Бордман. Его фирма разрабатывает элементы питания на базе бетавольтаїки. – Для питания такого потребителя масса батарейки будет значительно больше массы автомобиля».
Зато атомная батарейка оказывается незаменимой там, не неудобно или невозможно регулярно заряжать обычный аккумулятор и менять его каждые несколько лет. Это, например, сенсоры в опасных зонах или спутники. Также это могут быть медицинские гаджеты, например, кардиостимулятор и носимая электроника.
Насколько это безопасно
Хотя бета-випрмінювання является радиацией, но от него достаточно легко защититься. Несколько миллиметров любого вещества с плотностью около 1 г/см2 (любой металл, например) практически полностью поглощает даже самые мощные бета-частицы с энергией около 1 мегаэлектронвольт.
То есть от внешнего бета-излучения легко защитит, например, алюминиевый или стеклянный корпус – популярные материалы в электронике.
«Обычно даже корпуса батарейки достаточно для блокирования любого излучения, — говорит ученый лаборатории Пасифик Нортвест Ланс Хаббард. – Утварь внутри также мало радиоактивное. Это делает их очень безопасными для людей».
Основная опасность бета-излучения – если проглотить или вдохнуть радиоактивную частицу. Особенно опасно, если это элементы, способные накапливаться и длительное время находиться в организме
Собственно, мы почти ежедневно сталкиваемся с радиоактивными материалами. Это, например, «целебные» талисманы и «оздоравливающие» стельки с ториевым наполнителем, которые украинцы заказывают из китайских онлайн-магазинов. Радиоактивные материалы используются в бытовых детекторах дыма. Они придают свечение знакам экстренного выхода в помещениях и стрелкам в некоторых часах.
А когда радиоактивная батарейка исчерпает свой ресурс она просто перестанет быть радиоактивной.
Бриллиантовая батарейка — дешево и эффективно
Недавно в сфере бетавольтаїки произошел прорыв, который позволил использовать отходы атомных станций для изготовления атомных батареек. На атомных станциях для управления распадом урана используется графит. Со временем он насыщается радиацией и сам становится радиоактивным в виде изотопа углерод-14.
Углерод-14 превратили в бриллиант со встроенным полупроводниковым слоем. Это повысило эффективность такой батареи.
Использование отходов атомных станций делает атомную батарейку очень дешевой. Ведь станции генерируют десятки тонн графитных отходов. При этом лишь 50 кг углерода 14 достаточно для миллионов атомных батареек.
По материалам Wired
