Енергія на тисячоліття: вчені створили мініатюрні ядерні батареї з радіовуглецю

Вчені представили новий тип мініатюрних ядерних батарей, які працюють на основі радіовуглецю (ізотопу вуглецю-14). Ці батареї здатні виробляти енергію впродовж десятків і навіть сотень років без необхідності підзарядки або заміни джерела живлення.

Про це пише SciTechDaily.

Несподівано розряджені телефони та електромобілі, що не доїжджають до пункту призначення, – це симптоми однієї проблеми: обмеженості сучасних акумуляторів. Літій-іонні батареї, які живлять більшість наших пристроїв, швидко розряджаються та з часом втрачають ємність. Професор Су-Іл Ін з Інституту науки і технологій Тегу Кьонбук представить своє рішення на весняній зустрічі Американського хімічного товариства у 2025 році. Його команда розробила ядерні батареї на основі радіовуглецю, які можуть забезпечити безпечну та надзвичайно довготривалу енергію.

Літій-іонні акумулятори не лише незручні, але й мають екологічні недоліки. Видобуток літію є енергоємним, а неправильна утилізація завдає шкоди довкіллю. Продуктивність літій-іонних акумуляторів майже вичерпана, вважає вчений, пояснюючи необхідність пошуку альтернативних рішень.

Його ядерні батареї генерують енергію з радіоактивних матеріалів. Вуглець-14, радіоактивний ізотоп вуглецю, випромінює безпечні бета-частинки, які можна екранувати тонким листом алюмінію.

Я вирішив використати радіоактивний ізотоп вуглецю, оскільки він генерує лише бета-випромінювання,
– розповідає Ін.

Крім того, радіовуглець, побічний продукт атомних електростанцій, недорогий, легкодоступний і його легко переробити. А оскільки радіоактивний вуглець розкладається дуже повільно, радіовуглецевий акумулятор теоретично може працювати тисячоліттями.

У типовій бета-вольтаїчній батареї електрони вдаряються об напівпровідник, в результаті чого виробляється електроенергія. Напівпровідники є критично важливим компонентом у бета-вольтаїчних батареях, оскільки вони в першу чергу відповідають за перетворення енергії. Тому вчені досліджують передові напівпровідникові матеріали для досягнення вищої ефективності перетворення енергії – показника того, наскільки ефективно батарея може перетворювати електрони в корисну електроенергію.

Щоб значно підвищити ефективність перетворення енергії у своїй новій розробці, Ін та його команда використали напівпровідник на основі діоксиду титану – матеріалу, який зазвичай використовується у сонячних батареях. До нього додали “сенсибілізований барвник на основі рутенію”. Зв’язок між діоксидом титану і барвником зміцнили за допомогою обробки лимонною кислотою. Коли бета-промені від радіовуглецю стикаються з обробленим барвником на основі рутенію, відбувається каскад реакцій перенесення електронів, який називається електронною лавиною. Потім лавина проходить крізь барвник, а діоксид титану ефективно збирає згенеровані електрони.

Нова батарея також містить радіовуглець у чутливому до барвника аноді та катоді. Обробивши обидва електроди радіоактивним ізотопом, дослідники збільшили кількість бета-променів, що генеруються, і зменшили пов’язані з відстанню втрати енергії бета-випромінювання між двома структурами.

Під час демонстрації прототипу батареї дослідники виявили, що бета-промені, випущені радіоактивним вуглецем на обох електродах, запускають барвник на основі рутенію на аноді, генеруючи електронну лавину, яка збирається шаром діоксиду титану і проходить через зовнішній ланцюг, перетворюючись на корисну електроенергію. У порівнянні з попередньою конструкцією, яка містила радіовуглець лише на катоді, нова батарея з радіовуглецем на катоді та аноді мала набагато вищу ефективність перетворення енергії – від 0,48% до 2,86% – ніж у інших схожих конструкціях.

Перспективи та застосування

Ядерні батареї можуть знайти застосування в медичних пристроях, таких як кардіостимулятори. Такий кардіостимулятор прослужить людині все життя, усуваючи потребу в регулярній хірургічній заміні. Це також було б корисно в мобільних пристроях, дистанційних датчиках, дронах та практично будь-яких інших ґаджетах.

Варто зазначити, що наразі ця конструкція перетворює лише незначну частку радіоактивного розпаду в електричну енергію, що означає нижчу продуктивність порівняно зі звичайними літій-іонними батареями. Попри ці обмеження ефективності, подальші дослідження можуть покращити продуктивність батарей.