Інноваційне дослідження представляє безпечну ядерну батарею на основі радіовуглецю, яка може працювати десятиліттями без підзарядки, відкриваючи нові перспективи для сталої енергетики та електронних пристроїв.
Обмеження сучасних літій-іонних акумуляторів
Проблема дострокової розрядки мобільних телефонів та електромобілів добре відома багатьом користувачам. Літій-іонні акумулятори, встановлені в більшості сучасних пристроїв, мають обмежений час роботи. Вони витримують лише кілька годин або днів між заряджаннями. При регулярному використанні ці батареї швидко деградують.
Часта зарядка літій-іонних акумуляторів створює значні незручності. Вона обмежує функціональність багатьох технологій. Безпілотники та обладнання для дистанційного зондування потребують тривалого енергозабезпечення.
Видобуток літію є надзвичайно енергоємним процесом. Неправильна утилізація літій-іонних батарей спричиняє забруднення екосистем. Водночас попит на довговічні джерела живлення невпинно зростає.
“Продуктивність літій-іонних акумуляторів майже насичена”, – зазначає професор Су-Іл Ін з Інституту науки і технологій Тегу Гьонбук. Тому його команда розробляє альтернативні ядерні батареї для майбутніх енергетичних технологій.
Принцип роботи ядерних батарей на радіовуглеці
Ядерні батареї генерують енергію, використовуючи високоенергетичні частинки від радіоактивних матеріалів. Не всі радіоактивні елементи випромінюють шкідливу радіацію. Бета-частинки можна екранувати тонким листом алюмінію. Це робить бета-вольтаїку безпечним вибором для ядерних батарей.
Дослідники створили прототип з вуглецем-14, який є нестабільною і радіоактивною формою вуглецю. “
Радіоактивний вуглець має кілька суттєвих переваг. Він є побічним продуктом атомних електростанцій. Цей матеріал недорогий та легкодоступний. Він легко переробляється для використання в батареях. Оскільки радіовуглець розкладається дуже повільно, батарея може працювати тисячоліттями.
У типовій бета-вольтаїчній батареї електрони вдаряють по напівпровіднику. Цей процес запускає виробництво електроенергії. Напівпровідники відіграють критично важливну роль у перетворенні енергії.
Інноваційний підхід і досягнуті результати
Щоб підвищити ефективність перетворення енергії, команда професора Іна застосувала напівпровідник на основі діоксиду титану. Цей матеріал зазвичай використовується у сонячних батареях. Він був сенсибілізований барвником на основі рутенію. Зв’язок між діоксидом титану та барвником посилили обробкою лимонною кислотою.
Під час роботи бета-промені від радіовуглецю стикаються з обробленим барвником. Це викликає каскад реакцій перенесення електронів. Цей процес називають “електронною лавиною”. Лавина проходить крізь барвник. Діоксид титану ефективно збирає згенеровані електрони.
Інноваційний аспект нової батареї – розміщення радіовуглецю як на аноді, так і на катоді. Цей підхід збільшує кількість бета-променів. Він також зменшує втрати енергії між електродами.
Ефективність перетворення енергії зросла з 0,48% до 2,86%. Це суттєве покращення порівняно з попередніми конструкціями. Хоча ця ефективність залишається нижчою, ніж у літій-іонних батарей, потенціал технології величезний.
Перспективи застосування та подальший розвиток
Такі довговічні ядерні батареї мають численні потенційні застосування. Наприклад, кардіостимулятор міг би працювати протягом усього життя пацієнта. Це усунуло б необхідність повторних хірургічних втручань для заміни джерела живлення.
Дослідники визнають, що поточна конструкція перетворює лише малу частку радіоактивного розпаду в електричну енергію. Професор Ін припускає, що оптимізація форми бета-випромінювача може покращити продуктивність. Розробка ефективніших поглиначів бета-випромінювання також збільшить вироблення електроенергії.
Громадське сприйняття ядерної енергії поступово змінюється через кліматичні проблеми. Проте більшість людей все ще асоціює ядерну енергію з великими електростанціями у віддалених місцях.
“Ми можемо помістити безпечну ядерну енергію в пристрої розміром з палець”, – підсумовує професор Ін, описуючи потенціал своїх бета-вольтаїчних акумуляторів. Ця технологія може відкрити нову еру в енергозабезпеченні, пропонуючи джерела живлення, що працюють протягом життя споживача.