DARPA решила заработать на ядерном мусоре холодной войны, превратив его в вечную батарейку

Группа исследователей и промышленных партнёров получила контракт DARPA на $3,37 млн для разработки компактных ядерных источников питания, способных работать десятилетиями без дозаправки. Проект называется SYMPHONEE и входит в программу Rads to Watts. Его цель - напрямую превращать энергию радиоактивного распада в электричество без турбин, котлов и привычной электростанции.

Речь не о мини-реакторе с управляемой цепной реакцией. В центре разработки находится радиовольтаический элемент. По принципу преобразования он ближе к солнечной батарее: есть источник частиц, есть полупроводник, а энергия излучения создаёт электрический ток. Только вместо солнечного света используется излучение радиоизотопа, например стронция-90.

Такие источники питания нужны там, где обычная батарея быстро становится слабым местом. Подводный датчик, космический аппарат, удалённая платформа или военная система не всегда позволяют регулярно менять аккумуляторы. Радиоизотопный источник может годами выдавать небольшую, но стабильную мощность и обходиться без частого обслуживания.

Стронций-90 выбран из-за типа излучения и долгого срока работы. Это бета-излучающий радиоизотоп: при распаде он испускает быстрые электроны. Эти частицы можно направить на полупроводниковую структуру, где их энергия создаёт носители заряда. Затем устройство снимает электрический ток. Долгий период полураспада позволяет источнику работать не недели или месяцы, а многие годы.

Команда проекта также рассчитывает использовать изотопы, полученные из переработанного ядерного топлива и старых потоков радиоактивных отходов. В таком подходе вещество, которое обычно требует хранения и контроля, превращается в энергетический ресурс для узких задач. Требования к радиационной безопасности при этом никуда не исчезают, но часть материалов получает практическое применение.

Главная техническая цель DARPA - повысить удельную мощность. Этот показатель показывает, сколько электрической мощности система выдаёт на единицу массы. Для космических аппаратов, подводных сенсоров и компактных военных платформ вес критичен. Источник питания может работать десятилетиями, но если он слишком тяжёлый или даёт слишком мало энергии, пользы от такой долговечности будет немного.

У радиовольтаических устройств есть давняя проблема: излучение одновременно даёт энергию и повреждает материал преобразователя. Частицы создают электрический ток, но постепенно портят полупроводник и снижают эффективность. Поэтому разработчикам нужно подобрать материалы и структуру элемента так, чтобы устройство выдерживало накопленную радиационную дозу и продолжало стабильно работать.

В SYMPHONEE планируют сочетать бета-излучающие изотопы с тонкими полупроводниковыми слоями. В такой конструкции важно поймать как можно больше энергии частиц и не разрушить преобразователь слишком быстро. Значительная часть испытаний будет связана именно с радиационной стойкостью материалов и сохранением эффективности на длительном сроке.

В проекте участвуют компании и исследовательские организации с опытом в микроэлектронике, моделировании, радиационных эффектах и живучести систем. Такая экспертиза нужна, потому что источник питания должен работать не в идеальной лаборатории, а в сложных условиях: в космосе, под водой, на удалённых объектах или на платформах, где отказ питания может сорвать всю миссию.

Предварительное моделирование показывает, что технология может выйти на целевые показатели DARPA по удельной мощности и плотности энергии. Но расчёты ещё не означают готовое изделие. Инженерам предстоит доказать, что устройство можно стабильно производить, что полупроводники выдерживают длительное облучение, что выходная мощность не падает слишком быстро, а конструкция остаётся безопасной на всём сроке службы.

Если проект сработает, такие источники питания не заменят обычные аккумуляторы в бытовой технике и не станут универсальной энергетикой. Их ниша гораздо уже: системы, которым нужна небольшая или средняя мощность на очень долгий срок там, где нельзя поставить солнечную панель, протянуть кабель или регулярно менять батареи.

Особенно перспективно выглядит космос. Солнечные панели хорошо работают не везде: дальние районы Солнечной системы, тень, радиационные пояса и пыль могут резко снижать их полезность. Радиовольтаический источник не зависит от освещения и может питать приборы там, где солнечная энергетика слишком ненадёжна или требует громоздких конструкций.

Под водой ситуация похожая. Солнечный свет туда не доходит, кабельное питание дорого и уязвимо, а регулярная замена батарей требует сложной логистики. Долгоживущий радиоизотопный источник мог бы поддерживать датчики, коммуникационные узлы или инфраструктуру наблюдения без постоянных выездов на обслуживание.

SYMPHONEE пока находится на стадии разработки и проверки концепции. Контракт DARPA даёт команде деньги на создание и испытание нового класса радиовольтаических устройств, но до серийных систем ещё нужно пройти полный цикл проверки материалов, конструкции, безопасности и реальной выходной мощности. Главная интрига проекта в том, получится ли превратить радиоактивный распад из медленного источника микромощности в практичную компактную энергетическую систему для сложных сред.