Дослідники розробили інноваційну ядерну батарею, здатну функціонувати протягом десятиліть як у космічному просторі, так і під водною поверхнею.

Група інженерів з Китаю розробила компактну ядерну батарею, яка генерує електрику завдяки розпаду радіоактивного ізотопу америцію. Ця нова батарея виявилася вісім тисяч разів ефективнішою за своїх попередників, не потребує перезарядки, витримує значні навантаження без ушкоджень і може функціонувати протягом десятків років. Дослідники вважають, що їхній винахід стане корисним для датчиків, які використовуються в екстремальних умовах, де звичайні джерела живлення не підходять.

Розпочинаючи з початку 1900-х років, невдовзі після відкриття радіоактивності, дослідники почали шукати способи створення довговічних і стійких до ушкоджень батарей, які генерували б електрику за рахунок енергії, що виділяється під час розпаду радіоактивних ізотопів. У другій половині XX століття з'явилися перші експериментальні моделі таких батарей, що в основному використовували бета-випромінювання радіоактивних ізотопів у поєднанні з напівпровідниками: ізотопи випромінювали частинки, які потім взаємодіяли з напівпровідниками, перетворюючи їх на електричну енергію.

Пристрої, що використовують бета-вольтаїчні елементи, знайшли своє застосування в медичній сфері, космічній інженерії та в тих системах, де заміна звичайних акумуляторів є складною або взагалі неможливою, як, наприклад, у арктичних маяках.

Однак подібні пристрої виявилися не надто ефективними. Головний мінус бета-вольтаїчних елементів вони дають досить слабкий електричний струм. Такими батареями неможливо мати великі установки, тільки мініатюрні прилади. Для живлення чогось потужного потрібна велика кількість бета-вольтаїчних елементів.

З прогресом у науці дослідники розробили інноваційні методи, які сприяють підвищенню ефективності перетворення енергії ізотопів в електричний струм. Однією з таких технологій є застосування альфа-випромінювання, яке включає ізотопи, що вивільняють альфа-частинки.

ККД батарейок, що використовують альфа-випромінювання, значно перевищує ефективність бета-вольтаїчних елементів. Проте і у першому випадку існують певні недоліки. У таких батареях реалізуються нетрадиційні конструкції з дорогими матеріалами, що уповільнює їх розробку.

Команда китайських інженерів під керівництвом Шуао Вана (Shuao Wang) з Університету Сучжоу вигадала недорогий спосіб перетворення альфа-випромінювання в електричний струм. Вони розробили мініатюрну ядерну батарейку, де використовували відносно дешеві компоненти. Про це вчені розповіли у статті, опублікованій у журналі Nature. За словами авторів наукової роботи, ефективність їх батарейки у вісім тисяч разів вища за старі бета-вольтаїчні елементи.

За основу дослідники взяли хімічний елемент америцій (Am) -- один із радіотоксичних і довгоживучих компонентів відпрацьованого ядерного палива. Ізотопи америція, розпадаючись, випускають альфа-частинки, які несуть у собі багато енергії, але швидко втрачають її у навколишньому середовищі. Тому вчені вбудували америцій у полімерний кристал, який перетворив цю енергію на стійке та стабільне оптичне зелене світіння.

Потім Ван і його колеги з'єднали цей кристал із тонким фотоперетворювачем -- пристроєм, що перетворює світло на електрику. Нарешті отриману ядерну батарейку "упакували" в кварцову оболонку міліметрового розміру.

За інформацією Вана, протягом 200 годин тестування цей пристрій стабільно генерував електричну енергію з безпрецедентною ефективністю, використовуючи лише незначну кількість радіоактивних матеріалів для функціонування батареї.

Піврозпад найстійкішого ізотопу америцію - AM-243 - триває близько 7,4 тисячі років. Незважаючи на цю тривалість, нова ядерна батарея зможе функціонувати протягом десятиліть, оскільки її складові в результаті піддаються руйнуванню гамма-випромінюванням (альфа-випромінювання є досить активним і часто супроводжується гамма-випромінюванням).

Батарея, створена китайськими інженерами, суттєво підвищить ефективність перетворення альфа-випромінювання в електричний струм та вихідну потужність у порівнянні з попередніми моделями. Проте, варто зазначити, що вона все ще генерує значно менше енергії в порівнянні з класичними джерелами, лише 139 мікроватів. Наприклад, щоб забезпечити живлення лампи розжарювання потужністю 60 Вт, знадобиться величезна кількість таких пристроїв, об'єднаних в кластер.

Ван разом із командою колег активно займається покращенням ефективності та потужності своєї системи. У їхніх планах також спростити та зробити безпечнішою ядерну батарейку, оскільки вона містить небезпечні радіоактивні елементи.

Група інженерів вірить, що їхня інноваційна розробка знайде застосування для живлення компактних датчиків, які функціонують в екстремальних умовах, де звичайні джерела енергії не можуть бути використані. Це може стосуватися, наприклад, глибоководних експедицій, космічних місій або пристроїв, призначених для віддаленого моніторингу та управління.