Новые японские батарейки из алмазов и углерода-14 переживут владельца, его внуков и правнуков
Японцы разработали элементы питания, которые способны работать сотни лет. Их основа — синтетические алмазы и радиоактивные изотопы. По словам исследователей, такие батареи подходят даже для космического оборудования. У них, конечно, есть недостатки, но и достоинств тоже немало. Подробности — в материале Selectel.
Авторы проекта — ученые и инженеры Национального института материаловедения Японии (National Institute of Materials Science, NIMS). Насколько можно понять, японцы собираются коммерциализировать изобретение, так что все детали конструкции батарей они не раскрывают. Но, в целом, понять можно.
Что это за элементы и зачем там алмазы?
Согласно источнику, японская батарея состоит из трех главных элементов. Два из них — радиоактивные, а третий, собственно, алмаз. Как и говорилось выше, минерал этот искусственный, так что стоимость всей системы не заоблачная.
Синтетические алмазы многие десятки лет используются в промышленности. Создаются они в лабораторных условиях, характеристики их приближены к природным, но стоимость в несколько десятков раз ниже.
Что касается радиоактивных элементов, то это изотопы углерода и никеля с длительным периодом полураспада. Для углерода-14 он составляет 5700 лет, а для никеля — 63-100 лет. Комбинация двух изотопов позволяет увеличить время работы батареи.
Алмазы служат в качестве электродов. Изотопы генерируют бета-излучение, ну а алмазы производят электрический ток. Для того, чтобы защитить окружающую среду и людей, элемент помещается в металлическую оболочку. Стекло, металлы, плексиглас не пропускают бета-излучение, так что обычного алюминия хватит, чтобы сделать батарею полностью безопасной. Она относится к типу бета-гальванических.
Если использовать элементы лишь в космической промышленности, то и проблемы с их утилизацией нет — все равно системы отправляются в космос и на другие планеты. Но, если применять алмазные батарейки на Земле, придется разработать безопасный и надежный процесс переработки.
Прототип есть, но кое-что нужно улучшить
Как и говорилось выше, у этого элемента питания есть как достоинства, так и недостатки. Преимущества солидные.
Во-первых, радиоактивные элементы можно брать из отходов АЭС. Изотоп углерода-14 используется во многих отраслях промышленности, в науке и медицине. Так, он применяется для радиоизотопного датирования и диагностики некоторых заболеваний желудочно-кишечного тракта.
При этом отходы АЭС с углеродом-14 (а накапливается он на графитовых стержнях из реакторов). Хранить подобные отходы и дорого, и непросто, поскольку нужны специальные методы защиты. Так что если алмазные батареи пустить на поток, то проблему отходов хотя бы частично можно решить.
Во-вторых, они крайне долговечны, о чем уже не раз было сказано. О запасе энергии можно просто не беспокоиться.
В-третьих, такие элементы надежны. Выходить из строя там особо нечему, разве что при механическом воздействии. «Они могут работать даже при высоких температурах, и их можно использовать, в частности, в космическом оборудовании и машинах для разведки полезных ископаемых», — сказал Сатоши Коидзуми (Satoshi Koizumi), один из авторов проекта алмазной батареи и сотрудник NIMS.В-четвертых, конструкция батарей на алмазах проще, чем конструкция РИТЭГ на плутонии, которые используются сейчас в космических аппаратах.
НО. Как всегда есть ложка дегтя во всей этой бочке меда. А именно — малая мощность батареи. Прототип выдает пока лишь 1 микроватт мощности, так что для того, чтобы обеспечить энергией космический аппарат, нужна либо огромная батарея, либо доработка элемента. И как раз в этом направлении будут действовать представители NIMS.
Алмазные батареи как тренд
Еще в августе мы писали о том, что американский стартап Nano Diamond Battery представил прототип бета-гальванической батареи, которая способна проработать тысячи лет. И да, там тоже используются алмазы и углерод-14. У американцев также есть прототип, плюс их элемент уже прошел несколько этапов тестирования.
Американский элемент питания не тайна, и протип батарейки изучили сторонние ученые. Безопасность и эффективность бета-гальванической батареи подтвердили в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса и Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Причем конкуренты прототипа батареи NDB демонстрировали 15% эффективности при производстве энергии. А у разработки калифорнийского стартапа благодаря синтетической алмазной структуре, которая выступает одновременно полупроводником и теплоотводом, эффективность достигла 40%. Внутренний стержень «фонит» до 28 000 лет, поэтому элементы питания будут работать гораздо дольше, чем техника, в которую они установлены.
Nano Diamond Battery предлагает бета-гальванические батареи в разных форм-факторах, включая привычные АА, AAA, 18650, CR2032 и других. Теоретически они могут работать совместно с литий-ионными батареями, установленными на большинстве современных устройств. При работе «алмазная» батарейка будет передавать излишки электричества литиевому аккумулятору.
Похоже на то, что алмазные элементы — новый тренд. Если удастся поднять их мощность, то батареи можно будет использовать не только в космической отрасли, но и на Земле. Конечно, с оглядкой на безопасность, — ведь стоит повредить металлическую оболочку, и бета-излучение станет воздействовать на окружающие элемент объекты.
Тем не менее, американцы сохраняют оптимизм. «Представьте себе iPhone. Наша разработка полностью заряжала бы вашу батарею с нуля пять раз в час. Представьте себе это. Представьте себе мир, в котором вам вообще не придется заряжать аккумулятор в течение дня. А теперь представьте себе неделю, месяц… Как насчет десятилетий? Вот что мы можем сделать с помощью нашей технологии», — рассказал о разработке NDB сотрудник стартапа Нил Найкер.
Подписывайтесь на блог Selectel, будем вместе следить за новыми технологиями и открытиями.