Источник изображения: bristol.ac.uk
Ученые и инженеры из Великобритании разработали алмазную батарею на основе радиоактивного изотопа углерода-14.
По словам авторов проекта, она способна работать тысячи лет. Исследование профинансировано Европейским космическим агентством (ESA). Сразу скажу, что это не элемент питания для телефона или, тем более, ноутбука. Она маломощная, но концепция интересная, причем возможно коммерческое использование. Подробности под катом!
Разработка и особенности
Исследователи из Бристольского университета и Управления по атомной энергии Великобритании (UKAEA) создали батарею на базе изотопа углерода-14. Он широко применяется в науке и не только. Наиболее известен — в радиоуглеродном датировании. Период полураспада изотопа около 5 730 лет.
Принцип работы батареи схож с солнечными панелями: вместо преобразования света в электричество алмазная структура захватывает быстро движущиеся электроны, возникающие при распаде углерода-14, и преобразует их в электрический ток.
Как это работает
- Захват бета-частиц в алмазной структуре. Искусственные алмазы, созданные методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), играют ключевую роль. Они обладают способностью захватывать электроны, выбрасываемые в процессе распада.
- Преобразование кинетической энергии в электричество. Бета-частицы взаимодействуют с атомами углерода в алмазе. Взаимодействие приводит к генерации тока за счет возбуждения электронов в материале. По сути, энергия движения (кинетическая энергия) бета-частиц преобразуется в электрический ток.
- Инкапсуляция радиоактивного материала. Радиоактивный углерод-14 заключён в слои алмаза, которые действуют как защитная оболочка. Она поглощает излучение, предотвращая его выход в окружающую среду. Таким образом, батарея становится безопасной для использования, включая медицинские устройства.
- Низкие уровни мощности. Мощность таких батарей измеряется в микроваттах, что делает их подходящими для питания небольших устройств, таких как датчики, имплантаты или метки. Элемент питания может работать на протяжении тысяч лет, поскольку процесс распада идёт очень медленно.
Профессор Том Скотт, специалист по материаловедению из Бристольского университета, отметил, что эта микроэнергетическая технология может использоваться в разных отраслях.
- Космос: использование в качестве источника питания для спутников, исследовательских аппаратов и оборудования на орбите.
- Экстремальные условия: обеспечение энергией для глубоководных экспедиций, исследований в горах и других труднодоступных локаций.
- В медицине: длительная работа кардиостимуляторов, слуховых аппаратов и глазных имплантатов без необходимости замены на протяжении десятилетий.
Разработка алмазной батареи стала возможной благодаря достижениям в области термоядерного синтеза. Команда ученых и инженеров из UKAEA создала установку для химического осаждения из газовой фазы (CVD), которая используется для выращивания искусственных алмазов. В этой установке создается плазма высокой плотности, активирующая газовую смесь, содержащую углерод. Атомы углерода осаждаются на подложке, формируя кристаллическую структуру алмаза. Добавление радиоактивного изотопа углерода-14 в процессе позволяет создавать алмазы, способные генерировать электричество за счет бета-распада.
Основное преимущество такого элемента питания — способность обеспечивать постоянный уровень мощности в микроваттах на протяжении тысяч лет.
«Алмазные батареи предлагают безопасный и устойчивый способ обеспечения непрерывного уровня мощности в микроваттах. Это новая технология, использующая искусственный алмаз для безопасного заключения небольших количеств углерода-14», — отметила директор по тритиевому топливному циклу в Управлении по атомной энергии Великобритании (UKAEA) Сара Кларк.
«Наша технология способна поддерживать широкий спектр важных применений — от космических технологий и устройств безопасности до медицинских имплантатов», — заявил профессор Том Скотт из Бристольского университета. «Мы с энтузиазмом исследуем все эти возможности и особенности».
Что еще?
Есть и другие проекты «долгоиграющих» батарей. Американский стартап Nano Diamond Battery (NDB) разработал бета-гальваническую батарею, способную работать тысячи лет. В августе 2020 года компания завершила успешные испытания прототипа и планировала начать коммерческое производство в конце того же года. Инвестором проекта выступил инкубатор Volkswagen Future Mobility.
Элемент состоит из синтетической алмазной оболочки, внутри которой находится радиоактивный сердечник. В процессе неупругого рассеивания бета-излучение преобразуется в электрический ток. В качестве топлива используются переработанные ядерные отходы углерода-14, что одновременно решает проблему их утилизации и обеспечивает долговечность элемента питания.
NDB утверждает, что их батареи безопасны для человека и окружающей среды: алмазная оболочка эффективно защищает от радиации, а в процессе работы не выделяется углекислый газ. Испытания, проведенные в Ливерморской национальной лаборатории и Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, подтвердили безопасность и эффективность устройства.
Разработка NDB демонстрирует эффективность преобразования энергии до 40%, что значительно выше показателей аналогичных решений. Срок службы батареи может достигать 28 000 лет, что превышает продолжительность эксплуатации большинства современных устройств.
Компания планирует выпускать батареи в различных форм-факторах, включая стандартные размеры AA, AAA и 18650, что позволит использовать их в существующих устройствах. Кроме того, такие батареи могут работать совместно с литий-ионными аккумуляторами, обеспечивая их постоянную подзарядку.
По словам представителя NDB Нила Найкера, новая технология способна полностью изменить представление о питании устройств: «Представьте себе мир, где вам не нужно заряжать аккумулятор в течение дня, недели или даже десятилетий. Это то, что мы можем предложить с нашей технологией».
Насколько все это реализуемо на практике — покажет только время. Что думаете по этому поводу? Пишите в комментариях.
Комментарии (37)
olku
07.12.2024 11:40Как независимый источник времени пригодится и для https://habr.com/ru/companies/globalsign/articles/860950/
Radisto
07.12.2024 11:40На первый взгляд, если углерод будет в форме графита или устойчивого карбида, ничего не изменится
NikitaCartes
07.12.2024 11:40Один моль Углерода-14 (14 грамм) выделит энергию Число Авгадро × энергия распада одного атома. Энергия распада атома Углерода-14 — 156 keV.
В сумме это будет ~4.2MWh.
Однако у Углерода-14 период полураспада — 5700 лет, то есть итоговая мощность в первые период будет 83 mW. С учётом обещанного КПД в 40% — 33mW.
14 грамма алмазов — 4 см³
NikitaCartes
07.12.2024 11:40Ошибку в своих расчётах заметил. Посчитал так что за период полураспада распадутся все атомы. Пересчитал:
Средняя мощность за первый период полураспада: 42 mW
За первые 100 лет — 55 mW, 22 mW с КПД 0.4
За первые 10 лет — 58 mW/23 mW
KbRadar
07.12.2024 11:40Ещё можно через дозовый коэффициент прикинуть какое количество людей эта штука способна убить.
vadimk91
07.12.2024 11:40Срок службы батареи может достигать 28 000 лет, что превышает продолжительность эксплуатации большинства современных устройств.
Интересно, а что входит в "меньшинство современных устройств", которые работают дольше 28 тысяч лет? :)
vvzvlad
07.12.2024 11:40Компания планирует выпускать батареи в различных форм-факторах, включая стандартные размеры AA, AAA и 18650, что позволит использовать их в существующих устройствах. Кроме того, такие батареи могут работать совместно с литий-ионными аккумуляторами, обеспечивая их постоянную подзарядку.
Боже, какая чушь
olartamonov
07.12.2024 11:40Это всё благодаря высочайшим достижениям в области термоядерного синтеза (при чём тут он?!) и нейтронной мегалоплазмы.
Но, впрочем, обычный продукт биокопирайтера полуавтоматического системы «думать некогда, разбираться не надо — надо больше материалов».
courser
07.12.2024 11:40Очередная "вечная" изотопная батарея.
Только забывают упомянуть типичные токи в доли или единицы микроампера.
Регулярность открытия - примерно 2 раза в год.
rPman
07.12.2024 11:40Забудем про эффективность и адекватность... вопрос, зачем тут именно алмаз? чем простой графит не угодил? точно так же осаждать из плазмы но с меньшими сложностями по поддержанию условий (давление, температура)
GidraVydra
07.12.2024 11:40А почему ты, например, ешь углеводы, вместо того, чтобы просто запивать уголь водой? Элементный состав тот же, но проще и дешевле...
rPman
07.12.2024 11:40Потому что моя жизнедеятельность зависит от химических реакций, а значит комбинации соединения молекул.
Атомная батарейка же работает на иных принципах, более фундоментальных, радиоктивные молекулы углерода будут продолжать распадаться как в составе сложных соединений так и в виде простых, причем одинаково, максимум беспокоиться об отходах, что бы они химически были удобными...
GidraVydra
07.12.2024 11:40Превращение потока бета-частиц в ток (надеюсь, для аудитории хабра это очевидно) зависит от электрических характеристик среды. Алмаз диэлектрик, графит проводник, этого вполне достаточно даже для несведущего человека, чтобы не утверждать, что разницы нет.
Бета-распад образует электрон-дырочную пару. В графите она мгновенно рекомбинирует и сказке конец. В наноалмазе довольно велика вероятность того, что заряды стекут до разноименных электродов. Это если очень упрощенно. Ещë у разных аллотропных модификаций, как ни странно, разные сечения захвата бета-частиц, разный состав вторичного излучения, и так далее.
rPman
07.12.2024 11:40Ай, это же не толстый алмаз в виде кристалла, это скорее всего нанометровое напыление (работает только та часть что между проводником и рабочим телом, вдруг само рабочее тело может быть одним из электродов?), ну и с одной и с другой стороны должны быть электроды... плюс это по хитрому по многу запаралелить, плюс прямо в толщу встроить повышение напряжение импульсное, плюс все это в нанометрах многослойное.
p.s. почитал про производство алмазов напылением, там как ни странно не требуется ничего заоблочного, дешевое производство, если бы не повальное увлечение производителями запланированного устаревания, этот алмаз бы напыляли и на очковые линзы, и на смартфоны и может еще кучу мест где.
legos
07.12.2024 11:40Помните, в Half-Life фонарик быстро разряжался, но спустя небольшое время снова заряжен?
Там видимо такая же батарея стояла, плюс небольшой аккумулятор или конденсатор.
Frankenstine
07.12.2024 11:40Какая ещё к черту батарея в компьютерной игре. Это просто переменная из которой вычитается при включении игрового фонарика и прибавляется при выключении, без какой либо физики
IvanBodhidharma
07.12.2024 11:40Есть и другие проекты «долгоиграющих» батарей. Американский стартап Nano Diamond Battery (NDB) разработал бета-гальваническую батарею, способную работать тысячи лет.
На картинке этот источник питания изображён, как микросхема с 22 ногами. Зачем такой форм-фактор?
Duxlab
07.12.2024 11:40Возможно выводы с разных слоёв батареи, чтобы оставалась возможность тасовать последовательно/параллельно не запариваясь с преобразователем и потерями на нём.
Frankenstine
07.12.2024 11:40Всё проще: эту картинку таскают из года в год, выдавая каждый раз за новость
Frankenstine
07.12.2024 11:40Краткое содержание статьи:
Данное устройство ни разу не является батареей. Это обычный бета-вольтаический элемент питания. Со всеми присущими ему достоинствами и недостатками. Как и всегда, их достоинство в длительной работе без замены, а недостатки - всё остальное: высокая цена, малая мощность, низкий ток.
dFdx
Интересно будет увидеть практически работающие образцы.
Если верить приведённой картинке, для обеспечения мощности в 1 ватт понадобится 10 тысяч таких элементов.
Но для не очень сложной электроники
(вроде тех-же электронных наручных часов
или ручного калькулятора)
этого вполне должно хватить.
Да, есть и аспект радиационной безопасности, но при таком большом периоде полураспада, полагаю, серьёзного изменения правил безопасности и не потребуется.
tmxx
период полураспада урана-235 ~700000000 лет.
GidraVydra
Но он умеет в цепное деление, а углерод нет
tmxx
Я привел пример, потому что о радиоактивности и небезопасности урана все более-менее наслышаны. Возможно, пример неудачный.
Основной параметр, который надо оценивать - мощность и вид излучения.
В принципе, у бета-излучения проникающая способность невысокая, для защиты достаточно нескольких миллиметров стекла или алюминия.
Хотя для источника ионизирующего излучения 1,5 Вт - это очень много - навскидку, в миллионы раз больше фона (вблизи).
Что касается урана - таблетки из обогащенного урана вполне можно брать руками (если без излишнего героизма, конечно). Взяв руками источник бета 1,5 Вт (без защиты) можно сразу ожог заработать. Думаю, и глаза пострадают.
AlexSky
А откуда инфа про 1.5 Вт? На картинке в статье 100 мкВт.
GidraVydra
Где там 1.5 Вт?
tmxx
я отвечал на комментарий:
AlexSky
Купить десять тысяч дорогих чипов, чтобы расковырять их и набрать вещества, способного причинить ожог можно, но зачем? Гораздо проще пойти в магазин и купить средство для прочистки труб.
nixtonixto
Вы не учли стоимость сырья. На рынке уже есть аналогичные батарейки на базе радиоактивного Ni-63, вот только его 1 грамм стоит около $4000. Что резко ограничивает сферу применения. А для космоса РИТЭГи вне конкуренции и по цене, и по весу. Даже их первые образцы работают в Вояджерах уже более 40 лет. Все эти ядерные батарейки - имхо только попытка выбить финансирование у инвесторов.
GidraVydra
Сколько на рынке стоит один ритэг? В пересчете на ватт электрической мощности, например?
rPman
там нет рынка, потому что до некоторых пор никто топливо для него не производил, тратили остатки.
GidraVydra
Тогда о какой конкуренции по цене ты вообще говоришь, если у ритэгов рынка нет?