Крошечная ядерная батарейка, которая может работать десятилетиями

Китайские физики совершили прорыв в энергетике, превратив ядерные отходы в источник питания, способный работать десятилетиями без подзарядки. Новая батарея на основе америция-243, разработанная в Университете Шучоу, не только утилизирует опасные радиоактивные материалы, но и демонстрирует рекордную эффективность преобразования энергии. Это открытие может кардинально изменить подход к автономному энергоснабжению в космосе и медицине, где замена источника питания технически невозможна или сопряжена с огромными рисками.

Принцип работы и инженерное решение

В основе разработки лежит изотоп америций-243, который является побочным продуктом работы ядерных реакторов и традиционно классифицируется как высокоактивные отходы. Главная проблема при создании батарей на альфа-излучателях — это эффект самопоглощения, когда энергия распада теряется внутри самого материала, не доходя до преобразователя. Китайская группа нашла выход, интегрировав Am-243 в структуру специального полимерного кристалла. Под воздействием альфа-частиц этот кристалл начинает излучать зеленый свет, который затем улавливается и преобразуется в электричество миниатюрным фотоэлектрическим элементом. Вся конструкция помещена в герметичный кварцевый корпус размером всего 1x1 миллиметр.

Преодоление физических ограничений

Использование промежуточного звена в виде сцинтилляционного кристалла позволило решить проблему, десятилетиями сдерживавшую развитие подобных устройств. Энергия альфа-частиц больше не рассеивается впустую внутри батареи. Вместо этого она эффективно конвертируется в фотоны, которые с минимальными потерями передаются на фотопреобразователь. В ходе 200-часовых испытаний система продемонстрировала стабильную выходную мощность, не подверженную влиянию внешних факторов — температуры, давления или вакуума.

Цифры и перспективы долголетия

Показатель эффективности новой батареи достиг 139 микроватт на кюри (μW Ci-1), что является беспрецедентным значением для устройств данного класса. Хотя период полураспада америция-243 составляет 7380 лет, практический срок службы самого источника питания ограничен радиационной деградацией компонентов. Тем не менее, исследователи прогнозируют, что батарея сохранит работоспособность в течение нескольких десятилетий, что на порядок превышает ресурс современных химических аккумуляторов.

Попытки создания компактных ядерных источников энергии ведутся с 1930-х годов. До сих пор основным препятствием для коммерциализации оставалась крайне низкая мощность — в диапазоне нановатт и микроватт, а также сложность утилизации отходов. Новый подход китайских ученых не только повышает КПД, но и предлагает способ использовать то, что раньше требовало дорогостоящего захоронения.

Разработка открывает путь к созданию сверхдолговечных батарей для кардиостимуляторов, нейростимуляторов и других имплантируемых медицинских устройств, где хирургическая замена источника питания каждые 5-10 лет сопряжена с риском для пациента. В космической отрасли такие элементы питания могут стать основой для зондов, предназначенных для сверхдальних миссий за пределы Солнечной системы, где солнечные панели бесполезны, а ресурс радиоизотопных термоэлектрических генераторов ограничен. Коммерциализация технологии, однако, потребует решения вопросов безопасности и разработки нормативной базы для использования миниатюрных радиоактивных источников в бытовой электронике.