Уменьшение толщины слоев радиоактивного никеля в десять раз подняло удельную мощность батарей.
Ученые из МФТИ, ФГБНУ ТИСНУМ и НИТУ «МИСиС» оптимизировали «ядерную батарейку» на никеле-63. В итоге в одном грамме созданной ими накопителя запасено около 3,3 ватт-часов. Это лучший результат для данного материала, и он в десять раз превосходит плотность энергии, запасенной в обычных химических топливных элементах. Соответствующая статья опубликована в Diamond and Related Materials.
В химических батареях электроны движутся через электролит с одного электрода на другой, из-за чего на них возникает разность потенциалов. Если соединить концы батарейки проводом, то электроны придут в движение так, чтобы разность постепенно потенциалов исчезла — по проводу потечет ток, а батарея начнет отдавать накопленную энергию.
Источник энергии на бета-распаде, часто называемый «ядерной батарейкой», использует электроны, образующиеся в ходе такого распада. Они ионизируют атомы полупроводников, что и создает электрический ток. Период полураспада некоторых радиоактивных изотопов составляет десятки и даже сотни лет, а, следовательно, мощность таких элементов питания будет оставаться почти постоянной в течение всего этого периода. Проблема в том, что батареи на бета-распаде отдают энергию довольно медленно по сравнению с химическими топливными элементами.
Исследователи во главе с Владимиром Бланком из МФТИ и ФГБНУ ТИСНУМ придумали способ почти на порядок повысить удельную мощность «ядерной батарейки». Для этого в их накопителе применяется радиоактивный изотоп никель-63. Он испускает бета-частицы, которые попадают в алмазные преобразователи на основе барьера Шоттки (в данном случае — диоды Шоттки). Так называют потенциальный барьер, образующийся в контактном слое полупроводника, граничащего с металлом и равный разности работы выхода (минимальной энергии, необходимой для удаления электрона из вещества) металла и полупроводника.
Чтобы добиться максимально высоких результатов, исследователи численно смоделировали движение электронов в бета-источнике и прилегающих к нему преобразователях на базе барьера Шоттки. Благодаря этому они и нашли их оптимальную толщину. Оказалось, что эффективнее всего бета-источник на основе никеля-63 работает при толщине слоя самого никеля около двух микрометров, а алмазного преобразователя на основе барьера Шоттки — около десяти микрометров.
Экспериментальный образец «ядерной батарейки» состоял из двухсот алмазных преобразователей, чередующихся со слоями «фольги» из никеля-63 и стабильного никеля. Мощность, генерируемая преобразователем, зависит от толщины никелевой прослойки и самого преобразователя, который поглощает бета-частицы. Как показали расчеты, все известные на данный момент прототипы ядерных батарей плохо оптимизированы, так как имеют лишний объем. А если толщина бета-источника слишком велика, то электроны, рождающиеся внутри него, не смогут его покинуть — их поглощают соседние атомы (эффект самопоглощения).
Оптимизировав толщину всех слоев батареи, мощность накопителя удалось довести до одного микроватта, а удельную мощность — до 10 микроватт на один кубический сантиметр объема. За время своей работы (пока не распадется никель-63) каждый грамм такого материала даст 3,3 миливатт-часа. Это на порядок больше, чем у существующих «ядерных» и большинства химических батарей.
Современные кардиостимуляторы имеют объем более 10 кубических сантиметров и потребляют около 10 микроватт. То есть разработанная батарея может быть использована в качестве источника питания для кардиостимуляторов без серьезных изменений их конструкции и объема. Поскольку полураспад никеля-63 занимает около ста лет, для подавляющего большинства пациентов кардиостимулятор с новой батареей будет практически вечным. Это заметно облегчит жизнь людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями, так как сейчас требуется, чтобы пациент периодически подвергался операциям, связанным с заменой батареи в стимуляторе.
Ученые планируют продолжить свои исследования в области ядерных батарей и хотят повысить обогащение никеля-63 в батарее, что приведет к еще большему росту мощности. Кроме этого, они намерены заменить барьеры Шоттки на алмазные PIN-структуры с контролируемым профилем легирования. Это позволит увеличить напряжение батареи в три и более раза. В этом случае ядерные батарейки станут полезны не только в производстве кардиостимуляторов, но и в космической индустрии — там часто нужно обеспечивать непрерывную работу датчиков и электроники на протяжении многих лет, а питаться от солнечных батарей в тени Земли или в космическом зонде дальше орбиты Марса весьма затруднительно.