Ядерная энергетика производит огромное количество опасных радиоактивных отходов, которые накапливаются по мере того, как в мире строится все больше и больше реакторов. Стартапы в США и Великобритании предложили эффективный способ использования этих отходов, сообщает новостной портал The Brighter Side. Перевод основных положений публикации представлен изданием Discover24.
Радиоактивные алмазные батареи были впервые разработаны в 2016 году в Великобритании, группой физиков и химиков из Института окружающей среды Кэбота Бристольского университета. Идея сразу же получила признание, поскольку обещала новый и экономически эффективный способ переработки проблемных ядерных отходов.
Изобретение британских ученых было представлено как бета-вольтаическое устройство, поскольку оно питается от бета-распада ядерных отходов – то есть такого типа распада, который происходит, когда ядро атома имеет избыток частиц и высвобождает часть из них для получения более стабильного соотношения протонов и нейтронов. Это создает ионизирующее бета-излучение, в котором задействуются высокоскоростные и высокоэнергетические электроны или позитроны (бета-частицы).
Бета-излучение может быть преобразовано в электрическую энергию через полупроводник. Но поскольку бета-частицы беспорядочно испускаются во всех направлениях, только небольшое их количество попадет в полупроводник, что снижает эффективность батареи. Здесь на помощь приходит поликристаллический алмаз (PCD), способный (в виде радиоактивного изотопа углерода-14) выступать и как радиоактивный источник, и как полупроводник.
Однако команда из Бристоля предупредила, что их радиоактивные алмазные батареи обеспечивают лишь довольно низкую мощность – всего несколько микроватт, что меньше типичного батарея АА. Поэтому их применение ограничивается небольшими устройствами, такими как датчики или кардиостимуляторы.
Английская фирма Arkenlight, коммерциализирующая бристольскую разработку, планирует выпустить на рынок свой первый продукт – радиоактивную микробатарею – во второй половине 2023 года.
Основанная в 2012 году в Сан-Франциско (штат Калифорния, США) компания NDB Inc. Изначально ставила целью создание более чистой и экологичной альтернативы обычным батареям. Стартап представил свою версию радиоактивных аккумуляторов на основе алмазов в 2016 году, и после контрольных испытаний в 2020 году пытается коммерциализировать эту разработку.
Планируется, что наноалмазные батареи от NDB появятся на рынке в 2023 году. Они описываются компанией как альфа-, бета- и нейтронные гальванические батареи и рассчитаны на более широкий спектр применения, от космических приложений до бытовой электроники.
Различные по типам излучения варианты радиоактивных батарей больше подходят для одних приложений и менее полезны для других. Также следует отметить, что радиоактивные алмазные аккумуляторы не смогут в ближайшее время повсеместно вытеснить привычные литий-ионные батареи.
Обычные батареи служат меньше времени (их срок службы – в среднем около пяти лет), но они намного дешевле в производстве. Однако есть много случаев, когда недолгий срок службы батарей становится весьма проблематичным. Не следует забывать, что отработавшие ресурс обычные батареи превращаются в массовые отходы, которые сложно перерабатывать.
Радиоактивные алмазные батареи более удобны там, где важен больший срок службы. В универсальном варианте, как предлагает NDB Inc., можно получить батареи для смартфонов, ресурс которых намного превышает срок службы смартфона, и открывается возможность применять батарею с одного телефона на другой – примерно так же, как сейчас нередко переносится SIM-карта.
Алмазная бета-батарея Arkenlight не намерена зайти так далеко. Компания работает над конструкциями, в которых большое количество бета-батарей с углеродом-14 собирается в ячейки. Чтобы обеспечить разряд высокой мощности, каждая ячейка может сопровождаться небольшим суперконденсатором.
Причем этот радиоактивный материал имеет срок службы более 5000 лет. Существенно, что в алмазной формации углерод-14 является твердым телом, чно снижает его опасность для живых существ. Управление по атомной энергии Соединенного Королевства (UKAEA) подсчитало, что около 45 кг углерода-14 могут позволить изготовить миллионы долговечных аккумуляторов на основе алмазов.