Ядерная энергия считается экологически чистым источником энергии, поскольку в ней отсутствуют выбросы углекислого газа, в то же время она производит огромное количество опасных радиоактивных отходов, которые накапливаются по мере того, как в мире строится все больше реакторов.

Специалисты предлагают разные решения этой проблемы, чтобы лучше заботиться об окружающей среде и здоровье людей. Ввиду недостаточного места для хранения ядерных отходов, в центре внимания этих идей является повторное использование материалов.

Радиоактивные алмазные батареи были впервые разработаны в 2016 году и сразу же получили признание, поскольку обещали новый экономичный способ утилизации ядерных отходов. В этом контексте неизбежно задуматься о том, являются ли они окончательным решением для токсичных отходов.

Что такое радиоактивные алмазные батареи?

Радиоактивные алмазные батареи были впервые разработаны группой физиков и химиков из Института окружающей среды Кабота Бристольского университета. Изобретение было представлено как бетавольтаическое устройство, что означает, что оно работает за счет бета-распада ядерных отходов.

Бета-распад – это тип радиоактивного распада, который происходит, когда ядро атома имеет избыток частиц и высвобождает некоторые из них, чтобы получить более стабильное соотношение протонов и нейтронов. Это производит своего рода ионизирующее излучение, называемое бета-излучением, которое включает в себя множество высокоскоростных и высокоэнергетических электронов или позитронов, известных как бета-частицы.

Бета-частицы содержат ядерную энергию, которая может быть преобразована в электрическую энергию через полупроводник. Типичная бетавольтаическая ячейка состоит из тонких слоев радиоактивного материала, помещенных между полупроводниками. Когда ядерный материал распадается, он испускает бета-частицы, которые выбивают электроны из полупроводника, создавая электрический ток.

Однако плотность мощности радиоактивного источника тем ниже, чем дальше он от полупроводника. Вдобавок ко всему, поскольку бета-частицы случайным образом испускаются во всех направлениях, только небольшое их количество попадет в полупроводник, и лишь небольшое количество из них будет преобразовано в электричество. Это означает, что ядерные батареи намного менее эффективны, чем батареи других типов. Здесь на помощь приходит поликристаллический алмаз (PCD).

Радиоактивные алмазные батареи изготавливаются с использованием процесса, называемого химическим осаждением из паровой фазы, который широко используется для производства искусственных алмазов. Он использует смесь водородной и метановой плазмы для выращивания алмазных пленок при очень высоких температурах. Исследователи модифицировали процесс CVD для выращивания радиоактивных алмазов, используя радиоактивный метан, содержащий радиоактивный изотоп углерод-14, который находится на облученных графитовых блоках реактора.

Алмаз – один из самых твердых материалов, известных человечеству. И он может действовать как радиоактивный источник и как полупроводник. Подвергните его бета-излучению, и вы получите долговечный аккумулятор, который не нужно перезаряжать. Ядерные отходы внутри него подпитывают его снова и снова, позволяя ему заряжаться целую вечность.

Однако команда из Бристоля предупредила, что их радиоактивные алмазные батареи не подходят для ноутбуков или смартфонов, потому что они содержат всего 1 г углерода-14, а это означает, что они обеспечивают очень низкую мощность – всего несколько микроватт, что меньше типичной батарейки AA. Поэтому их применение пока ограничено небольшими устройствами, которые должны оставаться без присмотра в течение длительного времени, такими как датчики и кардиостимуляторы.

Радиоактивные батареи Nano Diamond

Истоки ядерных батарей можно проследить до 1913 года, когда английский физик Генри Мозли обнаружил, что излучение частиц может генерировать электрический ток. В 1950-х и 1960-х годах аэрокосмическая промышленность была очень заинтересована в открытии Мозли, поскольку оно потенциально могло служить источником энергии для космических аппаратов для длительных миссий. Корпорация RCA также исследовала применение ядерных батарей в радиоприемниках и слуховых аппаратах.

Но для развития и поддержки изобретения потребовались другие технологии. В этом отношении использование синтетических алмазов считается революционным, поскольку оно обеспечивает безопасность и проводимость радиоактивной батареи. С добавлением нанотехнологий американская компания построила мощную батарею с наноалмазами.

Компания NDB Inc., базирующаяся в Сан-Франциско, Калифорния, была основана в 2012 году с целью создания более чистой и экологичной альтернативы обычным батареям. Стартап представил свою версию алмазных батарей в 2016 году и объявил о двух проверочных испытаниях в 2020 году. Это одна из компаний, которая пытается коммерциализировать радиоактивные алмазные батареи.

Наноалмазные батареи от NDB описываются как альфа-, бета- и нейтронно-гальванические батареи и имеют несколько новых функций:

• Долговечность: Компания подсчитала, что батареи могут прослужить до 28000 лет, что означает, что они могут надежно приводить в действие космические аппараты в длительных миссиях, на космических станциях и спутниках. А дронам, электромобилям и самолетам никогда не потребуется останавливаться для подзарядки.
• Безопасность: Алмаз – не только одно из самых твердых веществ, но и один из самых теплопроводных материалов в мире, который помогает защитить от тепла, выделяемого радиоизотопами, из которых построена батарея, очень быстро превращая его в электрический ток.
• Дружественность к рынку: Тонкопленочные слои PCD в них позволяют батарее принимать различные формы. Вот почему батареи с наноалмазами могут быть многоцелевыми и выходить на разные рынки, от вышеупомянутых космических приложений до бытовой электроники.

Arkenlight, английская фирма, занимающаяся продажей бристольской радиоактивной алмазной батареи, планирует выпустить на рынок первый продукт – микробатарею во второй половине 2023 года.