Шесть лет назад в России создали атомную батарейку, готовую работать 20 лет без подзарядки. В 2026 году Китай решил идти дальше и создал ядерную батарею со сроком службы более 1000 лет. Новая батарея необходима Китаю не только для применения в космических программах по изучению и освоению Луны, но и для применения в промышленности и медицине.
Возможно, глядя на успех российских учёных из НИТУ «МИСиС», создавших в 2020 году атомную батарейку, предназначенную для использования в космической отрасли, в Китае разработали новое поколение атомных батарей, способных в отличие от российских работать без подзарядки не 20, а более тысячи лет. Поднебесная собирается использовать эти новые источники питания не только в своей космической отрасли, но и в других сферах деятельности.
Давайте разберемся, как устроена эта чудо-батарейка, почему она не опасна и как далеко в этой технологии продвинулись у нас в России.
Что такое ядерная батарея и зачем она нужна?
Обычные батарейки, например, литий-ионные довольно быстро разряжаются, потому что энергия в них вырабатывается за счёт химических реакций. Ядерная, она же атомная, батарея работает иначе.
Внутри неё находится радиоактивный изотоп — нестабильная версия химического элемента. Атомы этого вещества со временем сами собой распадаются, превращаясь в другие элементы и выделяя энергию в виде тепла или частиц. Такой процесс, как правило, называют радиоактивным распадом. Но самым главным для атомной батареи является период полураспада — время, за которое распадается ровно половина всех радиоактивных атомов. У разных веществ этот период может длиться от долей секунды до миллиардов лет. Использование в батарее элемента с долгим периодом полураспада позволяет ей вырабатывать энергию десятилетиями и даже веками.
Раньше такие источники питания использовали в основном в космосе, где невозможно поменять батарейку. Например, они стояли на американских зондах «Вояджер», запущенных ещё в 1977 году и до сих пор передающих сигналы, а также на китайских луноходах «Чанъэ-3» и «Чанъэ-4». Но для земных задач они были слишком громоздкими, дорогими и зачастую требовали высокой температуры для работы.
Что придумали китайцы?
Китайские учёные поставили перед собой цель: сделать ядерную батарею компактной, мощной и полностью из местных материалов, чтобы её можно было производить в промышленных масштабах и не зависеть от поставок извне.
Так в 2024 году появилась первая версия китайской атомной батарейки под названием «Чжулун-1» (Свечной дракон). После выхода первой батарейки последовали её доработки и в 2026 году они представили улучшенную модель под названием «Цяньцзиюань Тяньшу».
Для доведения батареи «до ума» китайские инженеры совершили ровно пять преобразований.
Во-первых, батарея получила новый полупроводник. Китайская батарейка функционирует ровно также, как и российская: её преобразователь улавливает бета-частицы (электроны), вылетающие при распаде радиоактивного вещества. Китайские инженеры использовали новый тип преобразователя из карбида кремния. Карбид кремния — это прочный и эффективный материал-полупроводник. Улавливая бета-частицы, он напрямую преобразует их энергию в электричество.
Во-вторых, в новой батарее используется на 22% меньше радиоактивного материала, чем в старой версии. Это делает её дешевле и безопаснее.
В-третьих, несмотря на экономию материала, выходная мощность батареи выросла в 2,6 раза. Новая батарея стала значительно эффективнее вырабатывать электричество.
В-четвёртых, батарею сделали более компактной за счёт изменения её архитектуры. По словам учёных, представленный элемент питания имеет трёхмерную многоярусную конструкцию. Таким образом, при уменьшении объёма всего на 17%, плотность мощности (количество энергии, снимаемой с единицы объёма) выросла примерно в 15 раз.
И, наконец, в-пятых, в батарею встроили систему управления микроэнергией, дополненную датчиками. Благодаря такой модификации элемент питания «поумнел» и смог работать автономно.
Технические характеристики.
О некоторых технических особенностях новинки мы уже поговорили выше, осталось сказать пару слов о габаритах и начинке — фактическом топливе, из которого вырабатывается электричество.
Согласно публикации известного издания South China Morning Post (SCMP), размер батарейки чуть больше одного кубического дюйма. Если перевести в привычную нам метрическую систему, то это около 17 кубических сантиметров: 2,5 см х 2,5 см х 2,7 см.
Напряжение батарейки 2 вольта, мощность 1,13 микроватта. С одной стороны — это очень мало. Но с другой: достаточно для питания некоторых типов датчиков или медицинских имплантатов.
«Топливом» для батарейки служит изотоп углерод-14, период полураспада которого составляет 5730 лет. Вот поэтому китайские разработчики и заявляют, что теоретически, такая батарейка будет работать тысячелетиями.
А что в России?
Как было отмечено в начале публикации, 6 лет назад у нас уже собирали подобную батарейку. В настоящее время наши инженеры также, как и китайские, продолжают совершенствовать своё изобретение, правда, работая немного с другими материалами.
Ключевой центр этих разработок — Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» и связанные с ним предприятия «Росатома». В отличие от китайских, российские ученые сделали ставку на другой радиоактивный изотоп — никель-63.
Принцип работы, как я уже отметил выше, тот же: бета-частицы от распада никеля-63 улавливаются полупроводником. В России также разрабатывают высокоэффективные преобразователи, и одним из перспективных материалов для них является алмаз.
Отличие наших разработок как раз в выборе «топлива» для батарейки. В открытых источника, что мне удалось просмотреть, никель-63 имеет период полураспада около 100 лет. Это меньше, чем у углерода-14.
Тогда зачем же наши учёные выбрали именно его?
Оказывается, бета-излучение никеля-63 обладает более подходящей энергией для эффективного преобразования в электричество. Условно, такая батарея будет гарантированно работать несколько десятков лет без заметной потери мощности.
Разработки наших учёных, равно как и китайских, нацелены не только на космическую отрасль, но и на медицину. Подобные источники питания целесообразно использовать в кардиостимуляторах, тогда их не нужно будет менять хирургическим путем. Другая сфера применения — это арктические проекты, требующие установки датчиков и маяков, способных работать без обслуживания в суровых условиях.
Однако на мой взгляд самое главное в таких батарейках — это их безопасное использование. Дело в том, что слабое бета-излучение не может проникнуть даже через кожу человека, а сам источник запаян в прочный корпус из преобразователя, который полностью его поглощает и преобразует в электричество.
В плане атомных батарей Китай, и Россия двигаются в одном направлении — к созданию компактных, безопасных и условно «вечных» источников питания. Разница — в выборе изотопов и материалов для преобразователей.
источник:https://dzen.ru/a/ak5xeek1_Vflwojt
