Японские исследователи из Национального института материаловедения (NIMS) недавно разработали инновационные элементы питания с потенциальным сроком службы в сотни лет. Данные батареи основаны на синтетических алмазах и радиоактивных изотопах. По мнению создателей, подобные устройства идеально подходят для использования в космической технике. Несмотря на наличие некоторых недостатков, преимущества данной технологии весьма значительны. Конструкция батарей пока не разглашается в полном объеме ввиду планов коммерциализации изобретения. Известно, что батарея состоит из трех основных компонентов: двух радиоактивных элементов и синтетического алмаза. Использование искусственных алмазов, широко применяемых в промышленности, позволяет существенно снизить стоимость системы. Синтетические алмазы, создаваемые в лабораторных условиях, обладают характеристиками, близкими к природным аналогам, при этом их цена в десятки раз ниже.
Что касается радиоактивных элементов, то это изотопы углерода и никеля с длительным периодом полураспада. Для углерода-14 он составляет 5700 лет, а для никеля — 63-100 лет. Комбинация двух изотопов позволяет увеличить время работы батареи.
Алмазы служат в качестве электродов. Изотопы генерируют бета-излучение, ну а алмазы производят электрический ток. Для того, чтобы защитить окружающую среду и людей, элемент помещается в металлическую оболочку. Стекло, металлы, плексиглас не пропускают бета-излучение, так что обычного алюминия хватит, чтобы сделать батарею полностью безопасной. Она относится к типу бета-гальванических.
Если использовать элементы лишь в космической промышленности, то и проблемы с их утилизацией нет — все равно системы отправляются в космос и на другие планеты. Но, если применять алмазные батарейки на Земле, придется разработать безопасный и надежный процесс переработки. Прототип есть, но кое-что нужно улучшить? Как и говорилось выше, у этого элемента питания есть как достоинства, так и недостатки. Преимущества солидные. Во-первых, радиоактивные элементы можно брать из отходов АЭС. Изотоп углерода-14 используется во многих отраслях промышленности, в науке и медицине. Так, он применяется для радиоизотопного датирования и диагностики некоторых заболеваний желудочно-кишечного тракта.
При этом отходы АЭС с углеродом-14 (а накапливается он на графитовых стержнях из реакторов). Хранить подобные отходы и дорого, и непросто, поскольку нужны специальные методы защиты. Так что если алмазные батареи пустить на поток, то проблему отходов хотя бы частично можно решить.
Во-вторых, они крайне долговечны, о чем уже не раз было сказано. О запасе энергии можно просто не беспокоиться.
В-третьих, такие элементы надежны. Выходить из строя там особо нечему, разве что при механическом воздействии. «Они могут работать даже при высоких температурах, и их можно использовать, в частности, в космическом оборудовании и машинах для разведки полезных ископаемых», — сказал Сатоши Коидзуми (Satoshi Koizumi), один из авторов проекта алмазной батареи и сотрудник NIMS.
В-четвертых, конструкция батарей на алмазах проще, чем конструкция РИТЭГ на плутоне, которые используются сейчас в космических аппаратах.
НО. Как всегда есть ложка дегтя во всей этой бочке меда. А именно — малая мощность батареи. Прототип выдает пока лишь 1 микроватт мощности, так что для того, чтобы обеспечить энергией космический аппарат, нужна либо огромная батарея, либо доработка элемента. И как раз в этом направлении будут действовать представители NIMS.
Алмазные батареи как тренд
Еще в августе мы писали о том, что американский стартап Nano Diamond Battery представил прототип бета-гальванической батареи, которая способна проработать тысячи лет. И да, там тоже используются алмазы и углерод-14. У американцев также есть прототип, плюс их элемент уже прошел несколько этапов тестирования.
Американский элемент питания не тайна, и протип батарейкиее изучили сторонние ученые. Безопасность и эффективность бета-гальванической батареи подтвердили в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса и Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Причем конкуренты прототипа батареи NDB демонстрировали 15% эффективности при производстве энергии. А у разработки калифорнийского стартапа благодаря синтетической алмазной структуре, которая выступает одновременно полупроводником и теплоотводом, эффективность достигла 40%. Внутренний стержень «фонит» до 28 000 лет, поэтому элементы питания будут работать гораздо дольше, чем техника, в которую они установлены.
Nano Diamond Battery предлагает бета-гальванические батареи в разных форм-факторах, включая привычные АА, AAA, 18650, CR2032 и других. Теоретически они могут работать совместно с литий-ионными батареями, установленными на большинстве современных устройств. При работе «алмазная» батарейка будет передавать излишки электричества литиевому аккумулятору.
В общем-то, похоже на то, что алмазные элементы — новый тренд. Если удастся поднять их мощность, то батареи можно будет использовать не только в космической отрасли, но и на Земле. Конечно, с оглядкой на безопасность, — ведь стоит повредить металлическую оболочку, и бета-излучение станет воздействовать на окружающие элемент объекты.
Тем не менее, американцы сохраняют оптимизм. «Представьте себе iPhone. Наша разработка полностью заряжала бы вашу батарею с нуля пять раз в час. Представьте себе это. Представьте себе мир, в котором вам вообще не придется заряжать аккумулятор в течение дня. А теперь представьте себе неделю, месяц… Как насчет десятилетий? Вот что мы можем сделать с помощью нашей технологии», — рассказал о разработке NDB сотрудник стартапа Нил Найкер.
Автор: Seleditor
Источник: https://habr.com/
