Физики оптимизировали толщину слоев ядерной батарейки, использующей для производства электрической энергии бета-распад изотопа никеля-63. В одном грамме построенной ими батарейки запасено около 3300 милливатт-час, это лучший результат среди никелевых ядерных батареек и он в десять раз превосходит плотность энергии, запасаемой в обычных химических элементах. Статья опубликована в журнале Diamond and Related Materials.
Обычные батарейки, которые используют для питания часов, карманных фонариков, игрушек и других сравнительно небольших автономных электрических приборов, получают электрическую энергию с помощью химических реакций. В ходе этих реакций, которые называют окислительно-восстановительными, заряд «перетекает» через электролит с одного электрода на другой, и на электродах возникает разность потенциалов. Если соединить концы батарейки проводом, электроны постараются перераспределиться так, чтобы разность потенциалов исчезла — по проводу потечет ток. Химические батарейки, которые также называют гальваническими элементами, обладают высокой эффективностью (отношением мощности создаваемого тока к массе), но сравнительно быстро разряжаются, и это заметно ограничивает их автономную работу. Конечно, при определенной конструкции химических элементов их можно перезаряжать (тогда их называют аккумуляторами), однако даже в этом случае батарейку нужно как-то соединить с зарядным устройством, что иногда не очень удобно — например, если она обеспечивает питание кардиостимулятора. Очевидно, что остановить его работу, чтобы заменить элемент питания, невозможно.
К счастью, электрическую энергию можно получать не только в химических реакциях. Около шестидесяти лет назад, в 1953 году, Пол Раппапорт заметил, что для получения электроэнергии можно использовать бета-распад радиоактивных элементов. В ходе этого распада ядра элементов испускают бета-частицы (электроны или позитроны), которые могут ионизировать вещество электродов и создать на них разность напряжений. Основанные на этом принципе элементы назвали бета-вольтическими. Главным преимуществом таких элементов перед гальваническими выступает их долговечность — период полураспада некоторых радиоактивных изотопов может составлять десятки лет, следовательно, мощность элемента будет оставаться постоянной в течение всего этого периода. К сожалению, эффективность бета-вольтических генераторов сильно уступает химическим. Тем не менее, радиоактивные генераторы все-таки использовали в 70-х годах для питания кардиостимулятров, однако впоследствии их вытеснили литий-ионные аккумуляторы, дешевизна изготовления которых перевесила долговечность бета-вольтических элементов.
Группа ученых из МФТИ, ФГБНУ ТИСНУМ и МИСиС под руководством Владимира Бланка придумала способ почти на порядок повысить эффективность такой ядерной батарейки. В построенном ими элементе бета-частицы испускались радиоактивным изотопом никеля-63, а в качестве поглотителя выступали алмазные барьеры Шоттки. Эффективность батарейки составила примерно десять микроватт на сантиметр кубический, а суммарная мощность достигла одного микроватта — такой мощности достаточно, чтобы питать кардиостимулятор. В то же время, период полураспада никеля-63 составляет около ста лет. Следовательно, в одном грамме батарейки запасено около 3300 милливатт-час, что в десять раз превышает энергию обычной химической батарейки.
Построенная исследователями ядерная батарейка состоит из двухсот ячеек, в которых радиоактивные пластинки никеля-63 чередуется с алмазными барьерами, подложками и электрическими контактами. Эффективность работы отдельной ячейки определяется толщиной никелевой фольги и алмазного слоя, который поглощает частицы и ионизируется. В самом деле, если толщина никелевой пластинки слишком велика, бета-частицы не успевают ее покинуть; с другой стороны, сильно уменьшать толщину тоже не выгодно, поскольку вместе с ней уменьшается число производимых частиц. Похожие аргументы указывают на то, слишком большая или слишком маленькая толщина алмазного барьера тоже не выгодны. Поэтому ученые численно смоделировали каждый из слоев и нашли их оптимальную параметры: оказалось, что эффективнее всего никелевая пластинка работает при толщине около двух микрометров, а алмазный барьер — при толщине около 10 микрометров.
Затем ученые изготовили диэлектрические слои нужной толщины, разрезая лазером, полируя и отжигая алмазные кристаллы, и приклеили к ним никелевую фольгу, подложку и электрические контакты. Каждая ячейка генерировала ток силой всего несколько наноампер, поэтому физики соединили их параллельно. В результате батарея создавала напряжение порядка одного вольта, а сила производимого тока держалось на уровне одного микроампера. Наибольшая электрическая мощность W ≈ 0,93 микроватт достигалась при напряжении V ≈ 0,93 вольт, силе тока I ≈ 1,02 микроампера и нагрузке на батарею Ω ~ 70 килоом на кубический сантиметр. Такая мощность отвечает плотности энергии около 3300 милливатт-час на грамм, что в десять раз превышает плотность созданных ранее ядерных батареек на основе никеля-63 и во столько же раз превосходит обычные химические батарейки.
Заметим, что бета-вольтические батарейки не следует путать с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (сокращенно РИТЭГ), которые тоже иногда называют радиоактивными батареями. В этих генераторах энергия радиоактивных распадов используется для нагревания различных точек батареи и создания перепада температур, который потом конвертируется в электрический ток с помощью термоэлектрических элементов. В результате эффективность РИТЭГов составляет всего несколько процентов. Тем не менее, из-за своей долговечности радиоизотопные генераторы широко используются для питания космических аппаратов — например, зонда New Horizons или марсохода Curiosity. Ранее РИТЭГи также устанавливали на радиомаяках и метеостанциях, расположенных в труднодоступных областях, однако сейчас эту практику приостановили из-за риска утечки и радиационного загрязнения.
В 2016 году ученые из МФТИ, МИСиС и НПО «Луч» уже сообщали о разработке прототипа ядерной батарейки на основе бета-распада никеля-63. Также бета-вольтические генераторы, которые используют алмазы для поглощения частиц, образующихся в ходе распада углерода-14, разрабатывают физики из университета Бристоля.
Дмитрий Трунин