Ядерная батарейка для вечности. Ученые научились превращать смертоносное излучение в стабильные 10 ватт энергии

Обычная батарея плохо подходит для техники, до которой потом почти не добраться. На дне океана, в космосе или на удаленной автоматической станции источник питания должен работать месяцами, а лучше годами, без подзарядки и замены. Именно для таких условий сейчас продвигают радиовольтаические элементы – устройства, которые получают электричество напрямую из радиоактивного распада.

Новый проект поддерживает DARPA, Агентство перспективных исследовательских проектов Минобороны США. В работе участвует группа из Университета Толидо в составе консорциума под руководством Университета Миссури. На программу выделили 2,8 млн долларов. Исследователям предстоит создать микромасштабные радиовольтаические системы для буев, космических аппаратов и удаленных датчиков, где обычные аккумуляторы быстро доходят до предела.

Принцип радиовольтаики напоминает солнечные панели, но вместо света здесь используют излучение радиоактивного материала. Солнечный элемент превращает в электричество фотоны, то есть частицы света. Радиовольтаическое устройство работает с другими частицами, которые появляются при радиоактивном распаде. Схема позволяет получать энергию там, где солнечный свет либо недоступен, либо слишком нестабилен. Для глубоководной аппаратуры и длительных космических миссий разница принципиальна: системе нужен постоянный источник питания, не зависящий от дня, ночи, облачности или расстояния до Солнца.

Исследователи хотят выйти на удельную мощность 10 ватт на килограмм. Показатель отражает, сколько энергии установка выдает при заданной массе. Для компактной автономной техники параметр особенно важен: чем больше ватт удается снять с каждого килограмма, тем проще уложиться в жесткие ограничения по объему и тем меньше приходится жертвовать полезной нагрузкой.

Один из ключевых материалов в проекте – оксид галлия. Это полупроводник, то есть вещество, которое проводит ток не так, как обычный металл, и потому хорошо подходит для электроники и преобразования энергии. Выбор пал на оксид галлия из-за устойчивости к радиации. В радиовольтаическом узле активная область постоянно находится рядом с источником излучения, поэтому основа должна не просто выполнять свою функцию, а долго сохранять свойства под нагрузкой. Повышенная стойкость к радиации дает сразу два плюса: помогает поднять эффективность преобразования энергии и продлевает срок службы элемента.

Часть работы в Университете Толидо связана не с изготовлением самих устройств, а с компьютерным моделированием. Исследователи заранее просчитывают разные варианты конструкции, еще до перехода к производству опытных образцов. Для этого применяют метод конечных элементов. Суть подхода проста: сложную структуру разбивают на множество маленьких участков и считают, как в каждом из них ведут себя электрические поля, токи, тепло и другие параметры. Этот способ помогает понять, какая геометрия и какой набор материалов дадут нужный результат, не тратя время и деньги на бесконечную серию физических прототипов.

После удачных расчетов команды смогут передавать конкретные схемы коллегам, которые занимаются изготовлением и испытаниями. Вся работа с самого начала строится как повторяющийся цикл между моделированием, сборкой и проверкой. Сначала одна группа предлагает конструкцию, затем партнеры создают реальный образец, после чего результаты снова возвращаются в расчеты, чтобы доработать следующий вариант. Для сложных полупроводниковых систем такой итеративный подход давно стал нормой: без него трудно быстро выйти на рабочие параметры.

В консорциум, помимо Университета Толидо и Университета Миссури, вошли Университет штата Пенсильвания, Хьюстонский университет и Военно-морская исследовательская лаборатория США. Такой состав собрали не для формальности. Радиовольтаика требует сразу нескольких компетенций: одни специалисты отвечают за материалы, другие – за моделирование, третьи – за конструкцию и практическую инженерную часть.

Конечная цель у проекта вполне прикладная. Разработчики хотят приблизить радиовольтаические источники питания к реальному использованию там, где традиционные батареи неудобны или слишком быстро теряют смысл. Для буя в удаленном районе океана, автономного датчика или космического аппарата выигрыш измеряется не одним только сроком службы. Чем реже такой технике требуется обслуживание, тем дешевле и надежнее оказывается вся миссия.

Если работа даст нужную плотность мощности и достаточную долговечность, радиовольтаика сможет занять нишу между обычными батареями и более крупными ядерными энергетическими системами. О массовой бытовой технологии речь пока не идет. Но для техники, которая должна годами работать в изоляции, без солнечного света и без шанса быстро заменить аккумулятор, такой источник питания может оказаться намного практичнее привычных решений.