Ядерные батарейки на 50 лет

Ученые из НИТУ «МИСиС» представили прототипы ядерных батареек, использующих в качестве энергетического материала изотоп никеля-63.

Заявленный срок бесперебойной работы составляет 50 лет. Область применения изделия – от кардиоимплантатов до космических аппаратов для исследования дальнего космоса.

Современные технологии в области микросистемной техники позволяют создавать сверхминиатюрные электронные устройства и приборы, которые, благодаря низкому энергопотреблению, способны работать от маломощных источников питания. Такими источниками могут быть бета-вольтаические (использующие бета-излучение) ядерные батарейки, в том числе, применяющие в качестве источника электронов изотоп «никель-63».

Период полураспада «никеля-63» составляет 100 лет, в этом он уступает лишь изотопу «углерод-14» (5700 лет), однако последний имеет в 1000 раз меньшую удельную активность. Кроме этого, для никеля-63 характерно так называемое «мягкое» излучение, не наносящее вред живому организму.

Группой ученых НИТУ «МИСиС», под руководством заведующего кафедрой материаловедения полупроводников и диэлектриков профессора Юрия Пархоменко, разработана уникальная технология создания преобразователей энергии бета-излучения в электрическую энергию на основе монокристаллов пьезоэлектриков для использования в составе автономных бета-вольтаических батарей переменного напряжения.

По словам Юрия Пархоменко, «применение импульсных источников питания (они накапливают и отдают заряд) позволяет преодолеть ограничения, вызванные малой мощностью бета-вольтаических ядерных батареек. Так, в импульсном режиме один бета-вольтаический элемент способен выдавать мощность вплоть до 1 мВт/см.3 При низких удельных мощностях энергетического материала батарейка, собранная на их основе, способна обеспечивать непрерывную выходную мощность 10-100 нВт/см3 – достаточную, чтобы обеспечить питание кардиоимплантата».

Объем рынка активных медицинских имплантатов в 2016 году составил 24,8 млрд долларов США, а потенциальный рынок аккумуляторных батарей в 2020 году оценивается в несколько десятков млрд долларов США.

Технология создания бета-вольтаических батареек планируется к применению в ядерной энергетике, авиакосмической технике, нано- и микроэлектронике, биомедицине, специальной технике (в том числе системах безопасности и контроля), в необслуживаемых источниках энергообеспечения с длительным сроком эксплуатации.

«У новой разработки ученых НИТУ «МИСиС» большой потенциал, так как потребность в надежных элементах питания с долгим сроком службы достаточно велика.

С учетом уникальных характеристик: небольшого размера и безопасности, бета-вольтаические батарейки, разработанные в нашем университете, могут занять существенную долю рынка аналогичных источников питания», – отметила ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова.

Реализация проекта позволит создать источники питания длительного срока службы для сети автономного навигационного оборудования, систем телеметрии и сенсоров, позволяющих производить онлайн-мониторинг широкого спектра параметров.

Разработка технологии позволит перейти к мелкосерийному производству бета-вольтаических батареек длительного срока службы, что в перспективе создаст новую область рынка источников питания, а также обеспечит развитие наукоемких отраслей российской экономики, таких, как ядерная энергетика, полупроводниковая и химическая промышленность.