Британские исследователи из Агентства по атомной энергии Великобритании (UKAEA) и Бристольского университета вновь привлекли внимание к идее так называемой «алмазной батареи». По их словам, эта разработка может функционировать более 5000 лет без необходимости подзарядки. Устройство, содержащее изотоп углерода-14, якобы должно обеспечивать энергией оборудование, обслуживание которого является крайне сложным или нецелесообразным.
Принцип работы такой батареи основывается на так называемом бета-вольтаическом эффекте, позволяющем энергии радиоактивного распада изотопа углерода-14 непосредственно преобразовываться в электрический ток. Эта концепция, которая, как утверждается, обеспечивает батареям непрерывную генерацию электричества, была впервые представлена широкой публике в пресс-видео Бристольского университета еще в далеком 2016 году, что делает ее не такой уж и новой.
Углерод-14, известный по большей части как инструмент радиоуглеродного датирования для определения возраста органических находок, теперь, по замыслу ученых, получает новое назначение. Они утверждают, что если изотоп преобразовать в алмазную форму, а затем поместить его внутрь дополнительного алмазного слоя, он превращается в долговечную батарею. Этот процесс, по их мнению, открывает путь к применению в экстремальных средах.
Таким образом, эти батареи, по замыслу разработчиков, могут быть использованы как в глубоком космосе, так и в особо неблагоприятных условиях на нашей планете. Особо отмечается потенциал замены традиционных литиевых источников питания там, где они могут быть опасными или неэффективными. В качестве примера приводятся космические аппараты с ядерными силовыми установками, хотя детали практического внедрения остаются за кадром.
Механизм функционирования бета-вольтаических батарей базируется на достаточно простом принципе: они преобразуют энергию радиоактивного распада изотопов в электрический ток. Этот процесс становится возможным благодаря тому, что изотопы, распадаясь, испускают бета-частицы. Эти частицы затем сталкиваются с полупроводниковым материалом, который является частью батареи.
В конкретном случае алмазных батарей роль такого полупроводника выполняет алмазный слой, окружающий радиоактивное ядро. Вследствие столкновения бета-частиц с этим слоем, из него выбиваются электроны, которые становятся свободными. Именно эти освобожденные электроны, двигаясь в определенном направлении, и формируют электрический ток, обеспечивая работу устройства, хотя и с очень низкой мощностью.
Вопрос утилизации ядерных отходов является чрезвычайно актуальным, ведь они сохраняют радиоактивность на протяжении очень длительного времени, что делает их долгосрочное хранение крайне дорогостоящим. Хотя человечество и разрабатывает способы ускорения ядерного распада, нахождение новых, практических применений для этих отходов выглядит привлекательным путем для снижения затрат на содержание и стимулирования развития новых технологий.
В данном случае, исследователи из Бристольского университета и UKAEA взяли отработанные графитовые блоки, полученные с ядерных объектов Великобритании. Методом нагревания они смогли собрать углерод-14, который накапливался на поверхности блоков, в газообразной форме, полностью удаляя его. Этот процесс не только снизил уровень радиоактивности самих блоков, но и позволил ученым и инженерам переработать полученный углерод-14, превратив его в алмазы.
Важно понимать, что несмотря на весь процесс преобразования, полученные алмазы остаются радиоактивными, поскольку они полностью состоят из углерода-14. Это является критическим аспектом безопасности, требующим дополнительных мер для их контролируемого использования. Поэтому такие радиоактивные алмазы необходимо герметично помещать внутрь еще одного защитного слоя, также выполненного из алмаза.
Этот внешний алмазный слой выполняет двойную функцию. Во-первых, он служит надежным барьером для поглощения и удержания любого излучения, что обеспечивает безопасность. Во-вторых, он, как утверждается, повышает эффективность процесса генерации электрического тока почти до 100%. Однако стоит помнить, что такая высокая эффективность относится только к самому преобразованию энергии, а не к общей мощности батареи.
Ученый доктор Нил Фокс из Школы химии, объясняя выбор углерода-14, отметил, что он испускает короткодействующее излучение. Это излучение быстро поглощается любыми твердыми материалами. Обычно, это могло бы представлять опасность при прямом контакте. Однако, как уверяют разработчики, когда углерод-14 помещен внутрь алмаза, никакое излучение не выходит наружу. По их словам, радиация снаружи батареи меньше, чем от банана.
Благодаря периоду полураспада углерода-14, составляющему 5730 лет, эти батареи действительно могут питать подключенные к ним устройства без необходимости подзарядки в течение невероятно долгого времени. Однако, стоит помнить о значительно меньшей выходной мощности по сравнению с обычными батареями. Эта особенность делает их, на первый взгляд, идеальным вариантом для питания оборудования, которое не требует большого количества энергии, но является чрезвычайно сложным для замены или перезарядки без масштабного вмешательства или обслуживания.
