Перевернет ли мировую энергетику китайская батарейка на никеле-63, способная держать заряд 50 лет
В наших СМИ, специализирующихся на последних новостях науки и техники, порой происходят удивительные события. В самом конце марта ряд из них сообщил “сенсационную” новость, которую эксперты анализируют с начала января 2024 года, когда она была опубликована впервые.
“В Китае запущено массовое производство крошечной батарейки Betavolt 100 размерами 15х15х5 мм, которая способна держать заряд в течение 50 лет. В ее основе – радиоактивный никель-63 и алмазные полупроводники. К выпуску готовится в тысячу раз более мощный вариант, пишет TechSpot. Размер первой партии и перечень заказчиков не уточняются”.
Не уточняется объем производства, ни слова не говорится о стоимости, ни байта информации нет о возможных заказчиках. Зато есть мнение о грядущей революции в энергетике и некоторое количество технических подробностей.
Батарейка – в самое сердце
“Никель-63 испускает мягкое бета-излучение (поток быстрых электронов/позитронов). Продуктом его распада является медь-63, нерадиоактивный изотоп меди. Его утилизация не требует значительных усилий и финансовых расходов. Однако исходный материал “ядра” вряд ли можно считать безопасным – он представляет значительную угрозу здоровью человека при употреблении внутрь”.
Металлическая пластинка размером полтора сантиметра на полтора сантиметра и толщиной полсантиметра, если ее проглотить – угроза для здоровья, кто бы мог подумать!
Давайте попробуем разобраться, о чем вообще речь идет, без всех словесных завитушек. Нам торопиться некуда, поскольку массовое распространение батарейки, которая 50 лет обеспечивает мощность в 0,001 Вт при напряжении в 3 В вряд ли предвидится. На всякий случай напомню, что средняя мощность пальчиковой батарейки АА – 1,5 Вт, что в полторы тысячи раз больше китайской новинки.
За последние годы мы, конечно, привыкли к батарейкам в телефонах, электромобилях, ноутбуках и т.д. Но независимость от розетки пока получается не очень длительной – все эти накопители приходится либо перезаряжать от сети, либо менять старые на новые. Но поменять батарейку в условном фонарике – минута несложных манипуляций. А вот смена батарейки кардиостимулятора – это уже хирургическая операция, причем не самая простая и уж точно не радующая пациентов.
Ученые уже несколько десятилетий ищут, на чем батарейки могут работать если не вечно, то хотя бы несколько десятилетий. Радиоизотопы в поле зрения попали достаточно давно, но первые успехи пришли только в начале 1950-х, с развитием полупроводниковых технологий. Есть целый ряд химических элементов и их изотопов, у которых период полураспада, идущего по бета-минус каналу, имеет продолжительность в десятки лет.
Ядерная батарейка – старый знакомый
Бета-минус распад – это превращение нейтрона в ядре химического элемента в положительно заряженный нейтрон. Электрический заряд нейтрона – ноль, заряд образующегося протона +1 и по закону сохранения заряда образуется еще и электрон с его электрическим зарядом -1.
Идея ядерной батарейки звучит несложно: слой бета-радиоактивного элемента накрываем слоем полупроводника, задача которого – уловить улетающий электрон и преобразовать его энергию в электрический ток. Еще одно требование – электрон должен нести небольшую энергию, в противном случае никакой полупроводник его не удержит, получится источник радиоактивности со всеми неприятными последствиями при контактах с ним.
Первый успех состоялся в США в 1953 году, когда Лари Олсен создал батарейку Betacel на основе прометия-147 – это был действительно революционный прорыв. Период полураспада прометия-147 – 2,6 года, электроны распада “мягкие”, результат распада – стабильный самарий-147, а батарейка объемом около кубического дюйма (примерно 16,39 куб. см) обеспечивала работу кардиостимулятора почти десять лет.
В 1970-е годы в Штатах кардиостимуляторы с прометием-147 получили более 20 тысяч пациентов, но именно медики и приняли решение отказаться от такого решения. В 0,01% случаев дочерний самарий-147 способен на гамма-излучение, что для организма действительно крайне вредно. На практике ни одного случая зарегистрировано так и не было, но медики – они такие медики, спорить с ними и с их Гиппократом – неблагодарное занятие.
В СССР это направление радиоизотопной медицины тоже пробовали развивать – как раз после того, как эксперимент с прометием в Штатах признали неудачным. В 1970-е кандидатом в качестве источника ядерной батарейки стал плутоний-241 – у него тоже мягкое бета-минус излучение с периодом полураспада уже 14,35 года, значительно больше, чем у прометия-147. Физикам такой вариант понравился, хотя стоимость производства плутония-241 чрезвычайно высока.
Но в этом случае медики были еще жестче – ни в коем случае, ни под каким видом! Конечный продукт распада плутония-241 — америций-241, который одновременно и альфа-радиоактивен, и гамма-радиоактивен. Повертев в руках кардиостимулятор РЭКС-А1, медики посоветовали образец уничтожить, а про эксперимент — забыть.
