Атомная энергия, используемая в бета-вольтаических батареях, способна питать самые разные устройства — от космической техники и роботов до будущих смартфонов. Причём без подзарядки они могут работать до ста лет.
Борьба за продолжительность работы батарей
В мире аккумуляторов главное — это продолжительность работы. Независимо от того, используется ли батарея в миниатюрных носимых устройствах или обеспечивает резервное питание для электросети, та, что работает дольше и стабильнее, всегда оказывается в выигрыше — как в переносном, так и в буквальном смысле.
На протяжении последних 70 лет Соединённые Штаты лидировали в области ядерных батарей. Уже в 1950-х годах американские инженеры создали первую батарею, способную получать энергию от радиоактивного излучения. Однако в XXI веке первенство в этой области перешло к Китаю. Сегодня эта страна считается безоговорочным лидером в разработке и внедрении ядерных источников питания. Такие батареи могут работать десятилетиями без необходимости в подзарядке. Они способны стать основой для новых отраслей, которых пока не существует. Например, в области кибернетики, где можно создать по-настоящему интеллектуального робота. Или в рамках миссий в глубокий космос, которые смогут доставить людей к далёким звёздам.
Революция от компании Betavolt
В начале 2024 года китайская компания Betavolt представила компактную ядерную батарею BV100 размером с монету. В качестве радиоактивного источника используется изотоп никель-63, который обеспечивает предполагаемый срок службы до 50 лет. Важно отметить, что это не просто лабораторная разработка. Производство батарей уже запущено в массовом порядке. Ожидается, что они найдут применение в медицине, аэрокосмической отрасли и даже в будущих моделях смартфонов.
Зачем нам батарея на 100 лет
Для большинства из нас улучшение характеристик батареи — это просто удобство. Однако в некоторых случаях срок службы батареи, сопоставимый с продолжительностью жизни человека, становится критически важным. Без таких долговечных источников энергии невозможны длительные космические миссии и работа медицинских имплантатов, от которых может зависеть жизнь пациента.
Такие батареи получают энергию за счёт радиоактивного источника. Некоторые элементы, например уран, имеют нестабильное атомное ядро, которое спонтанно теряет энергию. Существует несколько способов извлечь эту энергию. Ещё в 1950-х и 60-х годах NASA разрабатывало термоэлектрические генераторы на основе радиоизотопов. Эти устройства преобразовывали тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных веществ, в электричество.
Как работает бета-вольтаическая батарея
Однако сегодня на смену пришло новое поколение батарей. Они улавливают энергию от бета-частиц — электронов или позитронов, испускаемых ядром во время радиоактивного распада. Механизм работы напоминает солнечную панель: фотоны попадают на полупроводник и генерируют ток. Здесь же вместо света используется бета-излучение, которое взаимодействует со специально созданным полупроводником. Именно по такому принципу работают батареи Betavolt.
Бета-вольтаическая батарея состоит из двух компонентов: радиоактивного источника и полупроводникового поглотителя. Когда радиоактивный элемент распадается, бета-частицы (высокоэнергетические электроны) сталкиваются с полупроводником. Это создаёт пары «электрон-дырка» и генерирует небольшой, но стабильный электрический ток. При этом бета-частицы можно эффективно экранировать с помощью тонкой алюминиевой пластины, что делает такие батареи безопасными.
Долговечность и возможности применения
Хотя мощность таких батарей ниже, чем у термоэлектрических генераторов NASA, они обеспечивают надёжное и стабильное питание в течение десятков лет. А в некоторых случаях — до ста лет, в зависимости от периода полураспада используемого вещества. Эти батареи не заменят привычные литий-ионные аккумуляторы, используемые в современных гаджетах. Однако благодаря своей долговечности и способности работать в экстремальных условиях, они идеально подходят для исследовательских марсоходов, глубоководных сенсоров и медицинских имплантатов, таких как кардиостимуляторы.
То есть в тех случаях, где крайне нежелательна или невозможна частая замена источника питания. С учётом курса на декарбонизацию и рост числа умных устройств и интернет-сенсоров, востребованность таких ядерных батарей будет только расти. Разработкой бета-вольтаических технологий сегодня занимаются не только Китай, но и США, Южная Корея, а также несколько европейских стран.
Конкуренция и перспективы в других странах
Компания Betavolt — не единственная в Китае, кто занимается разработкой подобных решений. Буквально на прошлой неделе университет Северо-Западного Китая в провинции Ганьсу анонсировал собственную ядерную батарею на основе углерода. Она способна работать до 100 лет. В её основе лежит изотоп углерод-14, который крайне редко встречается в природе. Однако, по данным South China Morning Post, в провинции Чжэцзян уже работает коммерческий реактор по его производству. Подобно тому, как Китай выстроил полную цепочку производства солнечных панелей, он теперь создаёт замкнутый цикл для выпуска ядерных батарей внутри страны.
Тем временем остальной мир пытается наверстать упущенное. В США компания City Labs из Майами, штат Флорида, активно разрабатывает бета-вольтаические микросистемы для космических миссий. В ноябре 2024 года фирма получила финансирование от Национального института здоровья (NIH) на создание долговечных батарей для кардиостимуляторов. Это стало возможным благодаря тому, что бета-частицы обладают малой проникающей способностью и легко экранируются.
В отличие от Betavolt, которая использует никель-63, компания применяет тритий. Он обеспечивает срок службы около 20 лет. При этом, по словам главы компании Питера Кабауа, в США уже есть потенциал для создания собственной производственной цепочки. Национальные лаборатории и частные компании закладывают для этого необходимые основы.
Возвращение забытых технологий
Интересно, что ещё в 1970-х годах City Labs создала первую в мире успешную бета-вольтаическую батарею под названием Betacel. Однако в то время её срок службы был ограничен, а общественное отношение к ядерной энергии становилось всё более негативным. В результате подобные батареи остались лишь предметом лабораторных экспериментов. Сегодня ситуация меняется.
Компания City Labs — не единственная, кто возрождает интерес к этой технологии в США. В 2024 году фирмы Kronos Advanced Technologies Inc. и Yasheng Group объявили о совместной инициативе по разработке ядерных батарей. В сентябре того же года британская компания Arkenlight представила свою батарею на углероде-14, изготовленную из ядерных отходов.
Заключение: энергия будущего — уже рядом
Нетрудно представить, насколько революционной может стать батарея, которая действительно «работает и работает» десятилетиями. Одно можно сказать точно: презентация батареи от Betavolt с ресурсом в 50 лет стала сигналом для научного сообщества, промышленности и правительств по всему миру.
Прошло более 70 лет с момента, когда в США была создана первая бета-вольтаическая батарея. Похоже, её время наконец пришло.
