Фізики з Університету Брістоля у Великобританії розповіли про концепцію «вічної» батареї на основі алмазу з радіоактивного ізотопу вуглецю-14.
Період напіврозпаду цього елемента становить майже шість тисяч років, тобто навіть половину своєї потужності батарея втратить лише через тисячі років, наголошується в прес-релізі.
За словами розробників, пристрій також допоможе в утилізації ядерних відходів, оскільки джерелом вуглецю-14 є графітові стрижні ядерних реакторів.
Використовувані сьогодні традиційні радіоактивні батареї (або радіоізотопні термоелектричні генератори — РИТЕГи) працюють завдяки тепла, яке виділяється в ході розпаду радіоактивних елементів.
У різних точках такого «акумулятора» створюється різниця температур, і термоелектричний ефект дозволяє перетворити цю різницю в електрику.
У таких установок ККД становить 4-5% — ефективність невелика, але зате вони здатні працювати в протягом дуже довгого часу. Приміром, РІТЕГ на основі плутонію-238 постачає енергією апарат «Вояджер-2», який досі передає на Землю радіосигнали. Нагадаємо, що він перебуває в польоті з 1977 року і його нинішнє видалення від Сонця перевищує 111 астрономічних одиниць.
Крім плутонію-238 в РИТЕГах використовується стронцій-90, ізотопи кюрію, полонію та інші радіоактивні частинки — всі вони є частиною радіоактивних відходів.
Існують, крім того, електрогенератори іншого типу — бета-вольтаичні (betavoltaics). Вони працюють завдяки енергії, що генерується при радіоактивних распадах. Концепція саме їх роботи і надихнула британських фізиків. В пристроях цього типу при взаємодії з електронами, викинутими ядрами при бета-розпаді, утворюються пари електрон-дірка, і вони безпосередньо конвертуються в електричний струм.
Традиційно для бета-вольтаических генераторів використовується тритій. Однак дослідники у своїй новій роботі запропонували замінити його вуглецем-14 з графітових стрижнів (елементи уран-графітового ядерного реактора, які також підлягають утилізації після роботи).
В роботі ядерного реактора графітові стрижні експлуатуються у вигляді збірок (до 180 стрижнів разом і більше). Їх опускають і піднімають з активної зони, щоб регулювати інтенсивність перебігу ядерної реакції. При цьому графітові стрижні насичуються ізотопом вуглецю-14.
Відстежуючи роботу ядерного реактора, фізики звернули увагу, що вуглець-14 концентрується в основному на зовнішніх областях стрижнів — там, де поруч з ними розташовуються уранові стрижні. Потрібний матеріал можна ефективно отримувати шляхом нагрівання, при цьому графітові стрижні позбавляються частини небезпечної радіоактивності (випромінювані частинки не пробіжать і кількох сантиметрів у повітрі, але все ж таке речовина є небезпечною для природи).
Виділений вуглець-14 можна використовувати для вирощування штучних алмазів, застосувавши осадження з газової фази.
Оскільки алмази здатні ефективно перетворювати іонізуюче випромінювання в слабкий струм, їх навіть запропонували використовувати як детектори радіації — продуктивність повинна бути неймовірно висока.
Бета-частинки, що випускаються вуглець-14, взаємодіючи з кристалічною решіткою алмазу, будуть породжувати електрони. В результаті чого і генерується електрика.
За словами фізиків, убезпечити такий бета-вольтаический елемент можна буде, покривши «радіоактивний» алмаз з вуглецем-14 звичайної (нерадиоактивной) алмазної плівкою, яка стримає шкідливе випромінювання.
Оскільки період напіврозпаду вуглецю-14 становить 5730 років, елемент на його основі зможе пропрацювати безпрецедентно довго (через п’ять тисячоліть він все ще буде видавати половину потужності).
Раніше подібні батареї створювалися з використанням нікелю-63, а також карбіду кремнію. У першому випадку питома потужність елемента, може, була б і немаленькою, проте період напіврозпаду нікелю-63 становить сто років (до речі, розробка належить вченим Місіс). А в другому випадку мова може йти лише про живлення малопотужних датчиків.
Запропонований спосіб має стати відносно недорогим: за приблизними підрахунками, британські АЕС за десятиліття роботи залишили майже сто тисяч тонн використаних графітових стрижнів. Екологічні переваги методу також очевидні: шкоди для навколишнього середовища в цьому випадку практично не буде.
«Вічні» батарейки, на думку вчених, можна буде використовувати в космічній галузі, а також у медицині (наприклад, для живлення імплантатів). Так як прямого контакту радіоактивної речовини з шкірою або внутрішніми органами не буде (а поламати оболонку нехай і штучного алмазу практично неможливо — це один із самих твердих матеріалів у світі), то такі «акумулятори» будуть повністю безпечні для людини.
Додамо, що радіоактивний розпад вуглецю-14 сьогодні активно застосовується в археології для датування різних об’єктів біологічного походження (так званий метод радіовуглецевого аналізу). Вік об’єктів визначається за кількістю залишилися в артефактах ізотопів вуглецю.
Ознайомитися з науковою статтею британських фізиків можна на сайті видання PLOS ONE.
Нагадаємо також, що раніше американські вчені створили нову модифікацію твердого вуглецю, що отримала назву Q-вуглець, а російські фізики представили унікальне міцні наноалмази.
