Человечество остро нуждается в энергии. Потребление данного ресурса становится всё выше, ну а без новых технологий уже не обойтись. Впереди массовая экспансия устройств умного дома, активное появление которых в наших жилищах ограничивается только высокой стоимостью и не самым совершенным программным обеспечением. Учёные говорят о передаче энергии на расстояние, совершают крупные прорывы, но всё это пока не приносит заметных результатов. Мы продолжаем сжигать углеводороды, чем провоцируем нарастающий эффект от глобального потепления. А между тем существуют более эффективные аналоги, над массовым производством которых задумываются всё больше исследователей. Ярким примером в данном случае выступают атомные (или радионуклидные) батареи. Речь идёт об устройствах, которые используют распад радиоактивных изотопов для выработки электричества.
В отличие от традиционных аккумуляторов, такие батареи могут работать десятки лет без подзарядки. Они применяются там, где замена источника питания невозможна или крайне затруднена: в космосе, глубоководных датчиках, автономных маяках и даже в медицинских имплантах. К сожалению, стоимость здесь остаётся высокой, а решить данную проблему пока не выходит. За последние десятилетия учёные разработали несколько технологических принципов работы атомных батарей, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Например, термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) используют тепло от распада изотопа (чаще всего плутония-238) и преобразуют его в электричество с помощью термопар. Бета-вольтаические элементы применяют изотопы, испускающие бета-излучение, которое генерирует электрический ток в полупроводниках. Каждый их этих принципов исключает движущиеся части, а значит, система работает стабильно и не нуждается в обслуживании. Первый серьёзный скачок в разработке атомных батарей произошёл ещё в 1950–1960-х годах, когда США и СССР активно искали автономные источники питания для космоса. Марсоходы Curiosity и Perseverance работают на технологии РИТЭГ, а советские маяки и спутники десятилетиями питались от стронция-90.
В мирных целях такие батареи применялись в кардиостимуляторах, но из-за радиоактивности их со временем заменили литиевыми аналогами. В настоящее время ведутся разработки алмазных бета-вольтаических батарей с никелем-63 и углеродом-14. Они обещают срок службы в сотни лет и полную безопасность, так как радиоактивный материал запечатан в структуре алмаза. Оптимисты пишут, что со временем атомные батареи могут стать альтернативой традиционным аккумуляторам для носимых устройств, особенно в условиях, где доступ к подзарядке невозможен. Представьте себе смартфон, который работает 50 лет без зарядки. Звучит как фантастика, но уже сейчас исследователи движутся в этом направлении. По мнению некоторых учёных, данное направление действительно перспективно, но следует немного изменить подход, сосредоточив внимание на ядерных отходах. Новое исследование американских учёных основано на идее использования ядерных отходов для создания батарей, которые могут питать микроэлектронные устройства.
Специалисты из Университета штата Огайо разработали технологию, позволяющую превращать гамма-излучение, испускаемое радиоактивными отходами, в электрическую энергию. Процесс состоит из двух этапов: сначала специальные кристаллы сцинтиллятора улавливают радиацию и преобразуют её в свет, затем солнечные элементы превращают этот свет в электричество. На данный момент мощность таких батарей не позволяет питать смартфон и даже часы, но первые эксперименты доказывают перспективность новой методики. Прототип, объем которого составил всего 4 кубических сантиметра, смог выработать от 288 нановатт до 1.5 микроватт, в зависимости от типа радиоактивного источника. На данном этапе такие батареи могут питать только маломощные датчики. Несмотря на это учёные уверены, что технология может быть масштабирована. По словам инженера-аэрокосмонавта Ибрагима Оксуза, следующий шаг состоит в разработке конструкций, способных генерировать больше энергии.
Важно отметить, что эти батареи не будут использоваться в быту, а скорее найдут применение на объектах, где уже хранятся радиоактивные отходы. Именно так, а значит ждать смартфона, который сможет работать на одном заряде 50 лет, придётся ещё очень долго. В перспективе ядерные батареи способны стать ключевым элементом в системах мониторинга и автономных сенсорах, требующих минимального обслуживания. Кроме того, исследователи считают, что подобные устройства могут быть полезны в космосе, где гамма-излучение присутствует в естественной среде. Несмотря на успех первых испытаний, перед учёными стоят серьёзные вызовы. Один из ключевых вопросов затрагивает устойчивость материалов к радиации в течение длительного времени. Также предстоит выяснить, насколько долго сможет работать такой источник питания без потери эффективности. Концепция кажется многообещающей, но реализация её предполагает появление сопутствующих открытий, без которых создание коммерческого прототипа невозможно. Возможно, в ближайшие годы мы увидим развитие этого направления. Добавим, что разработка имеет смысл в аспекте защиты окружающей среды. Тонны ядерных отходов сегодня утилизируются, но благодаря новой методике смогут безопасно перерабатываться и принесут человечеству пользу. На этот раз речь идёт о действительно чистом источнике энергии, обладающем огромным потенциалом.