Мощность ядерной батарейки увеличена на порядок. Ядерные батарейки
Мобильные телефоны появились около сорока лет назад. Прогресс не стоит на месте. Вряд ли в те времена кто-то мог мечтать о том, что когда-нибудь появится атомная батарейка для телефона. Прогресс позволил добиться существенных прорывов во многих сферах, особенно в последнее время. Данный обзор будет посвящен применению атомных аккумуляторов в современных электронных устройствах.
Современные технологии
Рынок электроники является одним из наиболее перспективных направлений. С каждым годом эта сфера развивается все более динамично. Еще недавно в продажу поступили iPhone 3, а сегодня уже можно купить iPhone 8. Специалистам пришлось пройти большой путь, чтобы порадовать пользователей совершенными с аппаратной точки зрения устройствами. Это же касается Windows Phone и Android. Несколько лет назад телефон на базе ОС Android был чем-то удивительным.
Все дети мечтали поиграть в игры, где управлять действиями главного героя можно было путем поворота экрана. Этим сегодня уже трудно удивить. Даже первоклашки используют iPhone и не чувствуют от этого особого восторга. Они уже не смогут понять, что раньше существовали телефоны, функционирующие на основе кнопочного управления, а что еще ужаснее, на телефонах того времени было всего 2-3 примитивных игры. Тогда для детей даже змейка на монохромном дисплее была поводом для безмерного счастья. Играть в нее могли круглыми сутками. Игры в то время были не такими качественными. Использовать такие телефоны можно было в течение нескольких дней, не применяя при этом зарядку.
Атомная батарея - отличное решение для долгих игр
Игры на смартфонах с каждым годом выходят на более высокий уровень. Поэтому устройствам требуются более сильные аккумуляторы. Сколько сегодня способен продержаться наиболее мощный смартфон с огромным ресурсом автономной работы? При пассивном использовании такое устройство продержится не больше трех дней. Именно по этой причине инженеры и решили поднять вопрос о создании атомного аккумуляторного элемента. Сегодня в смартфонах в качестве источников питания обычно применяются литий-ионные батарейки. Реже встречаются элементы, функционирующие на полимерных аккумуляторах. Такие телефоны на самом деле не выдерживают продолжительного функционирования. Играть или смотреть на них фильмы можно всего несколько часов.
Может ли использоваться атомный аккумулятор в смартфонах?
Большинство компаний, занимающихся производством смартфонов, соревнуются по следующим показателям:
- диагональ экрана;
- быстродействие;
- габариты (как правило, борьба идет за уменьшение толщины устройств);
- длительность автономной работы устройства.
В настоящий момент вопрос о том, как может использоваться атомная энергия для создания современных смартфонов, остается актуальным. По предположениям ученых, уже в ближайшем будущем появятся устройства, которые можно будет оборудовать аккумуляторами, функционирующими по принципу реакции ядерного элемента. В этом случае телефоны будут функционировать без дополнительной зарядки до 20 лет. Такое время автономной работы не может не впечатлять.
Как возникла идея создания батареи?
Атомная батарейка - довольно-таки современная разработка XXI века. Однозначно, данное изобретение открыло огромное количество возможностей в деятельности как наземных, так и космических областей деятельности. Но действительно ли она не приносит вреда здоровью, как об этом везде говорят?
Идея появления небольших атомных реакторов относительно недавно получила большое распространение. Ученые выдвинули предположения о том, что такая батарейка для телефона позволит избавиться от проблемы необходимости подзарядки. О первом прототипе батарейки, использующей в своей работе атомную энергию, заговорили на отечественном предприятии «Росатом». Никакой определенной конкретики не было. Как говорят инженеры, первый компактный атомный реактор может быть изготовлен в 2017 году. Принцип действия такой батарейки будет состоять в использовании энергии химических реакций, происходящих при участии изотопа никеля. Если говорить более точно, речь идет о бета-излучении. Интерес представляет тот факт, что батарейка, созданная по данному принципу, будет работать в течение 50 лет. Размер такого элемента будет достаточно компактный. Чтобы иметь представление о том, какие габариты будет иметь атомный аккумулятор, достаточно представить себе, что простую батарейку уменьшили в 30 раз.
Безопасность применения батареи
Что касается безопасности, то эксперты уверены в том, что атомный аккумулятор не будет оказывать негативного воздействия на организм человека. Повод для такой уверенности дает уникальная конструкция. Прямое бета-излучение, без всяких сомнений, негативно сказывается на всех живых организмах. Однако стоит учитывать, что в таких аккумуляторах оно будет «мягким». Даже если такое излучение не выйдет наружу, оно будет поглощено внутри аккумуляторного элемента. Поскольку атомная батарейка будет способна поглощать излучение внутри, не давая ему выйти наружу, специалисты сегодня делают прогнозы на применение таких аккумуляторных устройств в медицинской сфере. К примеру, такие батарейки могут использоваться в конструкциях кардиостимуляторов.
Еще одним перспективным направлением использования таких батареек является аэрокосмическая отрасль. Промышленность стоит на третьем месте. Кроме этих основных отраслей, существует еще множество дополнительных проектов, в которых можно будет применять атомную батарею. Одним из важнейших направлений может стать транспортная отрасль.
Основные недостатки
Что же нам дает атомная батарейка? Преимущества и недостатки данного элемента питания будут подробно рассмотрены далее. Прежде всего, стоит отметить, что производство таких автономных источников энергии может стоить достаточно дорого. Научные работники и инженеры пока не решаются назвать точную стоимость такой разработки. Возможно, они просто боятся сделать поспешные выводы. Но есть приблизительная оценка.
Если говорить доступным языком, такая технология будет стоить очень дорого. Этого вполне стоило ожидать, если немного логически поразмыслить. Пожалуй, еще слишком рано думать о выпуске таких элементов питания в промышленных масштабах. Остается только надеяться, что ученым удастся найти альтернативные технологии, которые помогут разработать недорогой мобильный атомный реактор без угрозы радиационного заражения. И скорее всего, произойдет это в ближайшем будущем.
Многих интересует, сколько стоит атомная батарейка. Пока приводятся лишь предварительные оценки стоимости одного грамма активного вещества такой батарейки: 4000 долларов. Получается, что на производство одного такого аккумуляторного устройства нужно будет затратить примерно 4,5 млн рублей. Главная трудность связана с получением самого изотопа. В чистом виде в природе он не встречается. Для его создания необходимо использовать специальные реакторы. У нас в стране работает всего три таких реактора. Возможно, со временем будет разработана технология, позволяющая использовать для производства другие элементы, что позволит снизить расходы на производство данного элемента.
Принцип действия аккумулятора
Не только специалисты бьются над проблемой создания атомной батарейки. Недавно молодой ученый из Томска создал прототип аккумулятора, функционирующего на основе ядерной реакции. Как же работает такая атомная батарейка? Принцип работы данной разработки заключается в использовании изотопа трития. При правильном применении можно направить энергию, получаемую во время полураспада этого элемента, в верное русло. Атомная батарейка на базе трития будет работать в правильном режиме в течение 12 лет. Причем за этот промежуток времени аккумулятор не нужно будет подзаряжать. Стоит также отметить, что энергия высвобождается небольшими порциями.
Тритий: преимущества
Какие преимущества даст атомная батарейка для телефона? На сколько хватит такого аккумулятора? Устройство на базе трития со временем не изменит своих первоначальных свойств. Это является неоспоримым преимуществом. Изобретение было протестировано в Институте ядерной физики в Новосибирске. Также опытная модель была опробована в Томском университете.
Аккумулятор на базе никеля
Сотрудники ФГУП «Горно-химический комбинат» высказали готовность изготовить опытный образец атомного аккумулятора на базе никеля. Главным действующим компонентом в такой батарейке выступает изотоп никеля. Данный элемент способен обеспечить автономную работу электроники в течение полувека. Принцип работы аккумуляторного элемента основан на бета-вольтаическом эффекте. Он чем-то напоминает фотоэлектрический эффект. Пары «электро-дырка» в полупроводниковой решетке образуются за счет влияния бета-частиц. Для получения изотопа никеля 63 мишени никель-62 облучают.
Помимо продолжительного времени работы, к преимуществам таких аккумуляторных батарей можно будет отнести компактные размеры. При этом данные элементы питания будут совершенно безопасны для здоровья. Такие достоинства делают атомные батареи особенно привлекательными для многих сфер человеческой деятельности.
Перспективы применения аккумулятора
Атомная батарейка, которая функционирует на основе ядерной реакции, имеет огромные перспективы использования. Такое устройство будет особенно полезно в сфере электроники. Однако оно может использоваться не только как батарейка для телефона. Компактный реактор наверняка найдет применение в военной и аэрокосмической отраслях, а также в медицине.
В заключение
Атомные батарейки - это невероятное достижение науки, так как только такие технологии современного мира могут выдерживать высокие и низкие температуры, работая в различных условиях.
Несмотря на относительно высокую стоимость производства атомных батареек, нам остается только надеяться на то, что мы сможем увидеть такие изделия в новейших моделях телефонов. Вызывает определенные вопросы только элемент, который будет взят за основу такого аккумулятора. Конечно, по своей природе тритий является ядерным элементом. Но он все же имеет достаточно слабое излучение. Это вещество не нанесет вред человеческому организму. При правильном использовании аккумулятора кожа и внутренние органы не пострадают. Именно по этой причине данный элемент сегодня выступает в качестве наиболее вероятного кандидата для создания компактной атомной батарейки.
Российские физики разработали батарейку, которая может преобразовывать в электричество энергию бета-распада – излучения электронов радиоактивным элементом.
Коллектив исследователей из Московского института стали и сплавов под руководством заведующего кафедрой материаловедения полупроводников и диэлектриков профессора Юрия Пархоменко представил прототипы радиоизотопных батареек, созданных по технологии преобразования энергии бета-излучения в электрическую энергию на основе монокристаллов пьезоэлектриков. В качестве источника использован радиоактивный изотоп «никель-63». Его период полураспада около 100 лет, что позволяет создавать элементы питания со сроками службы до 50 лет.
Представленный МИСиС прототип ядерной батарейки
Руководитель работы профессор Юрий Николаевич Пархоменко
Такие батарейки часто называют также «ядерными», поскольку в них используется процесс бета-распада, при котором один из нейтронов ядра превращается в протон с испусканием электрона. Хотя бета-распад - один из видов радиоактивного излучения, людям нечего бояться. Бета-излучение в данном случае обладает малой проникающей способностью и легко задерживается оболочкой. А используемый изотоп «никель-63» не имеет сопутствующего гамма-излучения. Так что сами батарейки не излучают и совершенно безопасны.
Чтобы компенсировать малую мощность природного бета-распада, физики используют импульсный режим с накоплением заряда. В этом случае удается обеспечить непрерывную мощность электрического тока 10-100 нановатт с каждого кубического сантиметра устройства. Такой мощности достаточно для питания, например, кардиостимулятора.
Благодаря длительному сроку службы батарейки найдут применение в тех случаях, когда их замена нежелательна или просто невозможна: в медицине, ядерной энергетике, авиакосмической технике, нано- и микроэлектронике, в системах безопасности и контроля.
Выбор в качестве источника энергии несуществующего в природе изотопа «никель-63» неслучаен. В нашей стране разработана также уникальная технология его выработки в специальных ядерных реакторах и обогащения до необходимых «не ниже 80%». Производство батареек запланировано на в Красноярском крае.
Уникальные характеристики разработанного устройства, его компактность и безопасность позволяют надеяться на его конкурентоспособность на рынке аналогичных источников питания
Единственный недостаток батарейки – высокая стоимость. Из-за дороговизны производства никеля-63 на начальном этапе она может составлять несколько миллионов рублей. Однако по мере отработки технологии и налаживании массового производства цена неминуемо сильно упадет.
Ученые из НИТУ "МИСиС", МФТИ и НПО "Луч" разработали новую технологию создания "ядерных батареек" на основе радиоактивного изотопа никель-63, которые могут найти применение в разных областях - от медицины до космических исследований, сообщила пресс-служба вуза.
Группой российских ученых под руководством заведующего кафедрой полупроводников и диэлектриков МИСиС, профессора Юрия Пархоменко разработана технология создания преобразователей энергии бета-излучения никеля-63 в электрическую энергию на основе монокристаллов пьезоэлектриков для использования в составе автономных бета-вольтаических батарей переменного напряжения.
В эфире радио Sputnik Юрий Пархоменко рассказал о новой разработке.
"Изобретена не просто батарейка, а ядерный генератор переменного напряжения длительного срока службы. Почему ядерный? В нем используется процесс бета-распада, а это один из видов радиоактивного излучения. Но, несмотря на это, он абсолютно безопасен. В нашем случае это мягкое бета-излучение. Электроны легко задерживаются даже корпусом прибора. В этом генераторе энергия ядерного распада преобразуется в энергию механических колебаний, которая затем преобразуется в электрическую энергию с помощью пьезокристалла. Такой генератор перспективен и сроком службы - не менее 50 лет, и очень широким диапазоном рабочих температур. Он может работать в диапазоне от минус 100 по Цельсию до плюс 200. Также у него маленький размер: ширина - где-то сантиметр, а ширина и высота по полсантиметра", - сказал Юрий Пархоменко.
По его словам, область применения таких генераторов очень широкая.
"Где его можно использовать? В основном для питания различных датчиков, не подлежащих регулярному техобслуживанию. Это труднодоступные районы Земли - Крайний Север, Арктика, а также авиакосмическая техника, дальний космос, ядерная техника, атомные электростанции. Это и спецтехника, включая системы контроля и безопасности, датчики, которые устанавливают на границах", - сказал профессор.
Он отметил, что производство "ядерных батареек" на сегодняшний момент достаточно дорогостоящее, однако со временем их цена будет снижаться.
"В генераторе где-то 90% - это цена изотопа никеля-63. Его получают на предприятиях "Росатома", и стоимость одного грамма составляет где-то полмиллиона рублей. Для нашего прибора нужен один миллиграмм. Стоимость пять тысяч рублей - это дорого. Но сейчас серийно этот генератор не выпускается. Мы сделали только прототип, опытный образец. К концу года будет внедрение в производство. Если мы найдем широкое применение, тогда наладится производство и этого изотопа, и цена будет дешевле", - заключил профессор.
Разрабатываемая атомная батарейка на основе углерода-14 отличается рядом преимуществ по сравнению с атомными батарейками на основе других радиоактивных изотопов, а именно: экологичностью, дешевизной и длительным периодом эксплуатации. Эти преимущества обеспечиваются, во-первых, за счет применения в атомной батарейке углерода-14 в качестве радиоактивного источника. Период полураспада этого элемента составляет 5700 лет и при этом, в отличие, например, от Ni-63, углерод-14 нетоксичен и отличается низкой стоимостью.
Технология находится в процессе разработки!
Атомная батарейка:
Атомная батарейка — эта технология , которая базируется на идее преобразования энергии, которую излучает радиоактивный источник, в электрическую энергию. Простейшая атомная батарейка состоит из источника излучения и отделенного от нее диэлектрической пленкой коллектора. При распаде радиоактивный источник испускает бета-излучение, вследствие чего он заряжается положительно, а коллектор — отрицательно и между ними возникает разность потенциалов.
Над созданием источников питания, которые могли бы работать за счет энергии радиоизотопов, сейчас трудятся ученые по всему миру. Образцы ядерных батареек существуют и в России, и в США, и в других странах. При этом в качестве радиоактивных источников используется тритий, Ni-63 и углерод-14.
Атомная батарейка на основе углерода -14 отличается рядом преимуществ по сравнению с атомными батарейками на основе других радиоактивных изотопов, а именно: экологичностью, дешевизной и длительным периодом эксплуатации.
Эти преимущества обеспечиваются, во-первых, за счет применения в атомной батарейке углерода-14 в качестве радиоактивного источника. Период полураспада этого элемента составляет 5700 лет и при этом, в отличие, например, от Ni-63, углерод-14 нетоксичен и отличается низкой стоимостью.
Второе отличие атомной батарейки на основе углерода-14 состоит в том, что в качестве «подложки» под радиоактивный элемент используется принципиально новая структура – пористая карбидокремниевая гетероструктура. Технология производства карбидной пленки путем ее наращивания на готовой кремниевой подложке «методом эндотаксии» позволяет уменьшить стоимость «подложки» в 100 раз, что делает атомную батарейку дешевой.
Неоспоримым плюсом карбидокремниевой гетероструктуры также является ее устойчивость к радиации . При излучении изотопа она остается практически неизменной, что и позволяет говорить о том, что такая атомная батарейка будет работать неограниченно долгое время.
Карбид кремния — это тоже полупроводниковый материал. Он химически более устойчив, способен работать при температуре до 350 градусов. Кремниевые датчики температур работают максимум до 200. Карбид кремния работает при температуре на 150 градусов выше. Он в 10 раз радиационно пассивнее и устойчивее, чем кремний.
Преимущества атомной батарейки на основе углерода-14:
— углерод-14 нетоксичен,
— низкая стоимость атомной батарейки по сравнению с другими атомными батарейками на основе других радиоактивных источников,
— длительный период эксплуатации — срок службы более 100 лет,
— безопасность. Бета-излучение обладает малой проникающей способностью и задерживается оболочкой атомной батарейки,
— возможность работать в экстремальных условиях – при сверх низких и высоких температурах.
Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com
Фрезерный станок по камню с ЧПУ...
Линия для производства стеклопластиковой арматуры...
Защитное и эвакуационное устройство для быстрой эв...
Солнечный вегетарий
Беспилотный комбайн
Обработка металлических изделий электронным пучком...
Катализаторы для нефтепереработки на основе оксидо...
Станен
Учёные из МФТИ, ТИСНУМ и МИСиС оптимизировали толщину слоёв «ядерной батарейки», использующей для генерации электрической энергии бета-распад изотопа никеля-63. В одном грамме созданной ими батарейки запасено около 3300 милливатт-часов, что является лучшим результатом среди «ядерных батареек» на основе никеля-63 и в десять раз превосходит плотность энергии, запасённой в обычных химических элементах. Статья опубликована в журнале Diamond and Related Materials .
Как работает батарейка
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 , электроны «перетекают» через электролит с одного электрода на другой, и на электродах возникает разность потенциалов. Если соединить концы батарейки проводом, электроны придут в движение так, чтобы разность потенциалов исчезла - по проводу потечёт ток. Химические батарейки, которые также называют гальваническими элементами , обладают высокой удельной мощностью, то есть отношением мощности создаваемого тока к объёму батарейки, но сравнительно быстро разряжаются, и это заметно ограничивает их автономную работу. Конечно, при определённой конструкции химических элементов их можно перезаряжать (тогда их называют аккумуляторами). Однако даже в этом случае батарейку нужно вынимать из прибора, что может быть опасно или невозможно: например, если она обеспечивает питание кардиостимулятора или космического аппарата.
Немного истории
К счастью, электрическую энергию можно получать не только в химических реакциях. Более ста лет назад, в 1913 году Генри Мозли (Henry Moseley) представил первый радиоизотопный источник электрической энергии, представлявший собой посеребрённую изнутри стеклянную сферу, в центре которой на изолированном электроде располагался радиевый источник. Электроны бета-распада радия создавали разность потенциалов между серебряным слоем стеклянной сферы и центральным электродом. Такой источник обладает чрезвычайно высоким напряжением холостого хода - в десятки киловольт - и малым током, поэтому на практике его использование почти невозможно.
В 1953 году Пол Раппапорт (Paul Rappaport) предложил использовать полупроводниковую структуру для преобразования энергии бета-распада радиоактивных элементов. Бета-частицы (электроны или позитроны) ионизируют атомы полупроводника и создают неравновесные носители зарядов, которые при наличии статического поля барьерной p-n структуры упорядоченно движутся, создавая электрический ток. Основанные на этом принципе элементы назвали бета-вольтаическими. Главным преимуществом таких элементов перед гальваническими выступает их долговечность: период полураспада некоторых радиоактивных изотопов составляет десятки или сотни лет, следовательно, мощность элемента будет оставаться почти постоянной в течение всего этого периода. К сожалению, удельная мощность бета-вольтаических генераторов сильно уступает химическим батареям. Тем не менее, радиоактивные генераторы всё-таки использовали в 70-х годах для питания кардиостимуляторов, однако впоследствии их вытеснили литий-ионные аккумуляторы, дешевизна изготовления которых перевесила долговечность бета-вольтаических элементов.
Заметим, что бета-вольтаические батарейки не следует путать с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (сокращённо РИТЭГ), которые тоже иногда называют ядерными батареями. В этих устройствах энергия радиоактивных распадов используется для нагрева и создания потока тепла, который потом конвертируется в электрический ток с помощью термоэлектрических элементов. Эффективность РИТЭГов составляет всего несколько процентов и зависит от температуры. Тем не менее, из-за своей долговечности и относительно простого устройства радиоизотопные генераторы широко используются для питания космических аппаратов - например, или . Ранее РИТЭГи также устанавливали на радиомаяках и метеостанциях, расположенных в труднодоступных областях, однако сейчас эту практику приостановили из-за трудностей утилизации и риска утечки радиоактивных веществ.
Мощность повысили на порядок
Группа учёных под руководством Владимира Бланка, директора ФГБНУ ТИСНУМ и заведующего кафедрой «Физика и химия наноструктур» МФТИ, придумала способ почти на порядок повысить удельную мощность «ядерной батарейки». В разработанном и изготовленном ими элементе бета-частицы испускались радиоактивным изотопом никеля-63 и попадали в алмазные преобразователи на основе барьера Шоттки. Полная электрическая мощность батарейки составила около 1 мкВт, а удельная мощность достигла десяти микроватт на кубический сантиметр - этого достаточно, чтобы питать современный кардиостимулятор. Период полураспада никеля-63 составляет около ста лет. Таким образом, в одном грамме батарейки запасено около 3300 милливатт-часов, что в десять раз больше, чем в химических батарейках.
Рисунок 1. Схема устройства «ядерной батарейки». Дизайнер - Елена Хавина, пресс-служба МФТИ.
Образец «ядерной батарейки» состоял из двухсот алмазных преобразователей, чередуемых слоями фольги никеля-63 и стабильного никеля (рисунок выше). Мощность, генерируемая преобразователем, зависит от толщины никелевой фольги и самого преобразователя, который поглощает бета-частицы. Все известные на данный момент прототипы ядерных батарей плохо оптимизированы, так как имеют лишний объём. Если толщина бета-источника слишком велика, электроны, рождающиеся внутри него, не смогут покинуть его. Этот эффект называется самопоглощением. С другой стороны, сильно уменьшать толщину источника тоже невыгодно, поскольку вместе с ней уменьшается число бета-распадов в единицу времени. Аналогичные рассуждения применимы и к толщине преобразователя.
Фото. Ядерная батарейка, образец. Предоставлено ТИСНУМ.
Сначала расчёты
Перед учёными стояла цель: создать батарею на никеле-63 с максимальной удельной мощностью, то есть без лишнего объёма. Для этого они численно смоделировали движение электронов в бета-источнике и прилегающих преобразователях и нашли их оптимальные толщины: оказалось, что эффективнее всего бета-источник на основе никеля-63 «работает» при толщине около двух микрометров, а алмазный преобразователь на основе барьера Шоттки - при толщине около 10 микрометров.
Рисунок 2. (а) зависимость потока энергии из никелевой фольги от её толщины; (b) эффективность поглощения алмазным преобразователем в зависимости от его толщины. Видно, что в случае (a) насыщение происходит при толщине около двух микрометров, а в случае (b) - при толщине около десяти микрометров.
Технология изготовления
Наиболее сложной задачей было изготовление большого количества алмазных преобразователей со сложной внутренней структурой толщиной всего в несколько десятков микрон (как полиэтиленовый пакет из супермаркета). Традиционные механические и ионные методы уменьшения толщины алмаза не подходили для решения такой задачи. Сотрудники ТИСНУМ и МФТИ разработали технологию синтеза и отщепления тонких алмазных пластин от многоразовых алмазных подложек для массового создания сверхтонких преобразователей.
В качестве исходного материала были использованы 20 толстых подложек из легированного бором алмаза, выращенного методом температурного градиента. При помощи ионной имплантации в подложках создавался дефектный слой толщиной около 100 нанометров на глубине около 700 нанометров. Поверх этого слоя методом осаждения из газовой фазы синтезировался гомоэпитаксиальный (наследующий кристаллическую структуру подложки) слой слабо легированного бором алмаза толщиной 15 мкм. Затем методом высокотемпературного отжига дефектный слой подвергался графитизации, после чего удалялся методом электрохимического травления. После удаления дефектного слоя заготовку преобразователя снимали с подложки и покрывали контактами: омическим и Шоттки.
В ходе всего описанного процесса подложка теряла менее 1 мкм толщины, после чего операции повторялись. Таким образом на 20 подложках были выращены 200 преобразователей. Разработанная технология чрезвычайно важна с экономической точки зрения: высококачественные алмазные подложки стоят очень дорого, поэтому не подходят для массового производства преобразователей методом уменьшения толщины.
Все преобразователи были объединены параллельно согласно схеме, показанной на рисунке 1. Технология изготовления фольги никеля-63 толщиной 2 микрона была разработана в НПО «Луч». Батарею залили эпоксидным компаундом для герметичности.
Батарея обладает характерной вольт-амперной характеристикой (рисунок ниже). Напряжение короткого замыкания составило около 1 вольта, а ток короткого замыкания - около 1 мкА. Наибольшая электрическая мощность W ≈ 0,93 микроватт достигалась при напряжении V ≈ 0,93 вольт. Такая мощность отвечает плотности энергии около 3300 милливатт-часов на грамм, что в десять раз превышает плотность энергии созданной ранее в ТИСНУМ «ядерной батарейки» на основе никеля-63 и во столько же раз превосходит обычные химические батарейки.
Рисунок 3. (a) зависимость силы тока и выходной мощности, выдаваемой батареей, от напряжения; (b) зависимость выходной мощности от сопротивления подключённой к батарее нагрузки.
В 2016 году учёные уже сообщали о разработке прототипа ядерной батарейки на основе никеля-63. В июне 2017 года работающий образец ядерной батарейки мощностью 1 микроватт с полезным объёмом 1,5 кубических сантиметра был показан ТИСНУМ и НПО «Луч» на форуме «Атомэкспо-2017».
Основным фактором, ограничивающим изготовление ядерных батареек в России, является отсутствие промышленного производства и обогащения изотопа никеля-63. Такое производство планируется создать к середине 2020-х годов.
Альтернативный способ создания ядерной батарейки на основе алмаза - изготовление алмазных преобразователей из радиоактивного углерода-14, обладающего чрезвычайно большим периодом полураспада, - 5700 лет. О разработке таких генераторов сообщали физики из университета Бристоля.
Будущее ядерных батареек
Полученный результат открывает новые перспективы для медицинских применений. Современные кардиостимуляторы имеют размер более 10 кубических сантиметров и потребляют мощность около 10 микроватт. Разработанная батарея может быть использована в качестве источника питания такого кардиостимулятора практически без серьёзных изменений его конструкции и объёма. «Вечный» кардиостимулятор значительно повысит качество жизни пациентов, так как исчезнет потребность в его обслуживании и замене батарей.
Также в разработке компактных ядерных батарей заинтересована космическая промышленность. В частности, в настоящее время существует потребность в автономных беспроводных внешних датчиках и микросхемах памяти со встроенной системой питания для космических аппаратов. Алмаз является одним из наиболее радиационно стойких полупроводников, и за счёт большой ширины запрещённой зоны может функционировать в широком диапазоне температур, что делает его идеальным материалом для создания ядерных батарей космических аппаратов.
Учёные планируют продолжить свои исследования в области ядерных батарей и предлагают основные направления развития данной тематики. Во-первых, это повышение обогащения никеля-63 в батарее, что приведёт к линейному росту мощности. Во-вторых - разработка алмазной p-i-n структуры с контролируемым профилем легирования, которая позволит увеличить напряжение, а значит, и полезную мощность батареи в 3 и более раза. В-третьих - увеличение площади поверхности преобразователя, что позволит разместить больше атомов никеля-63 на одном преобразователе.
Владимир Бланк, директор ТИСНУМ и заведующий кафедрой «Физика и химия наноструктур» МФТИ, прокомментировал:
«Мы уже достигли выдающегося результата, который может быть применён в медицине и космической технике, но не собираемся останавливаться на этом. За последние годы наш институт достиг значительных успехов в создании высококачественных легированных алмазов, в частности, алмазов с проводимостью n-типа. Это позволит нам перейти от барьера Шоттки к p-i-n структуре и повысить удельную мощность батареи в 3 раза. А чем больше удельная мощность, тем большее количество применений может найти наша разработка. Мы имеем хороший задел в области синтеза алмазов высокого качества и планируем использовать сочетание уникальных свойств этого материала для расширения компонентной базы радиационно стойкой электроники и создания инновационных электронных и оптических устройств на его основе».
