Исследователи из Северо-Западного педагогического университета совместно с учёными Технологического института Ганьсу Чжулун в Китае создали ядерную батарею нового поколения, используя изотоп углерода-14 и преобразователь из карбида кремния (SiC). Новая ядерная батарея представляет собой значительное усовершенствование по сравнению с предшественницей не только с точки зрения ёмкости, но и потому, что была полностью разработана собственными силами.
Ядерная батарея, также известная как радиоизотопная или атомная батарея, использует энергию распада радиоактивного изотопа для выработки электроэнергии. Поскольку период полураспада таких изотопов может длиться десятки, а иногда и тысячи лет, поэтому ядерная батарея способна работать значительно дольше, чем традиционные химические батареи.
«Это делает их идеальными для использования в космических аппаратах и дистанционных датчиках окружающей среды, а также перспективными для медицинских имплантатов при условии использования соответствующих радиоактивных материалов», — поясняет Interesting Engineering.
Ядерные батареи использовались НАСА в миссиях зондов «Вояджер» в 1977 году и марсохода «Кьюриосити» в 2012 году. Китай также применял их в своих лунных миссиях «Чанъэ-3» и «Чанъэ-4». Последний успех является частью стратегии страны по созданию более компактных и мощных ядерных батарей, пригодных для промышленного использования.
Лучше, чем предшественник
В 2024 году исследовательская группа Северо-Западного педагогического университета создала ядерную батарею на основе углерода-14 под названием Candle Dragon-I (Zhulong-1). Батарея нового поколения, которая получила название Qianjiyuan Tianshu, использует радиоактивные материалы с ограниченным содержанием до 22%, при этом обеспечивая в 2,6 раза большую мощность без изменения напряжения или стабильности.
«Предыдущие версии страдали от низкой выходной мощности, плохой интеграции и высокой стоимости, поэтому команда сосредоточилась на создании компактного, мощного, доступного и полностью отечественного устройства», — — рассказал Су Маоген, руководитель проекта в Северо-Западном педагогическом университете.
Исследователи назвали пять основных усовершенствований Qianjiyuan Tianshu по сравнению с Zhulong-1. Среди них — лучшая согласованность радиоактивного источника и трехмерная многослойная конструкция, которая экономит место и улучшает интеграцию. Кроме того, система управления микромощностью и встроенные датчики обеспечивают автономную работу без внешнего питания. Повысить эффективность батареи удалось благодаря использованию преобразователя из карбида кремния, разработанного в Китае.
Возможности Qianjiyuan Tianshu
Батарея нового поколения имеет объём чуть больше одного кубического дюйма (16,8 куб. см). Используя 129 миликюри углерода-14, она обеспечивает ток 0,713 микроампера, напряжение 2,06 В и максимальную выходную мощность 1,13 микроватта. В традиционных ядерных батареях используются термоэлектрические материалы, которые преобразуют тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде, в электроэнергию.
«Однако такие системы громоздки и требуют высоких температур для работы. Qianjiyuan Tianshu работает по другому принципу: электроны (бета-частицы), возникающие при распаде, напрямую попадают на полупроводник из карбида кремния, где и генерируется электрический ток», — — говорят разработчики.
По словам исследователей, по принципу действия такая батарея напоминает солнечную панель. Разница заключается в том, что вместо света она использует излучение. Несмотря на то, что объём батареи удалось уменьшить всего на 17 %, объемная плотность мощности увеличилась примерно в 15 раз. Кроме того, поскольку период полураспада углерода-14 составляет 5730 лет, такая ядерная батарея фактически имеет срок службы в тысячи лет.
