Первый мобильный телефон был создан более сорока лет назад. Наука прогрессирует, безусловно. И кто бы мог подумать в то время, что спустя сорок лет на свет выйдет атомная Да, наука шагает не семимильными шагами, но все же со значительными прорывами во многих областях, особенно в последнее время. И эта статья будет посвящена именно теме использования атомных аккумуляторов в современных устройствах.
Вступление
Сейчас рынок смартфонов - одно из самых перспективных направлений электроники. Эта сфера динамично развивается, не останавливаясь ни на минуту. Казалось бы, вот только в продажу поступил iPhone 3, а на прилавках магазинов сотовой связи красуются уже iPhone 6 и iPhone 6 Plus. Стоит ли говорить о том, какой путь прошли инженеры компании, чтобы порадовать пользователей новейшей аппаратной частью?
То же самое можно сказать и об Android, и о Windows Phone. Еще пару лет назад весь школьный класс собирался вокруг счастливчика, у которого был телефон на базе операционной системы Android. А когда кому-нибудь удавалось лично поиграть в приложение, в котором управлять действием можно было при помощи поворота экрана (особенно если эта игра была из разряда гонок), он буквально сиял от счастья.
В настоящее время этим уже никого не удивишь. Даже первоклассники сейчас спокойно пользуются телефонами компании Apple без особой радости и восторга, не представляя, как им на самом деле повезло. Еще бы, они же просто не знают, что когда-то существовали телефоны, работающие при помощи кнопочного, а не сенсорного управления. Что на тех телефонах было всего пара-тройка игр. И что даже змейка на двухцветном экране была для детей того времени поводом для бескрайнего восторга, а играли в нее едва ли не дни напролет.
Безусловно, тогда игры были гораздо менее качественными. Пользоваться подобными телефонами можно было несколько дней, не применяя подзарядку. Сейчас же игровая индустрия в сфере смартфонов вышла на более качественный уровень, а это требует более мощных телефонных аккумуляторов. Сколько, по вашему мнению, способен продержаться самый современный, самый мощный в плане автономной работы смартфон?
Нужна ли нам атомная батарейка?
Заверяем вас, что даже при пассивном использовании он (смарфтон) вряд ли продержится более 3 суток. В качестве в современных смартфонах используются типа. Чуть реже встречаются модели, работающие на полимерных аккумуляторах. На самом деле подобные телефоны не выдерживают очень долгой работы. Играть в них во время автономной работы, смотреть на них фильмы можно считанное количество часов, которое обычно не превышает десяти. Компании-производители подобных аппаратов соревнуются сразу по нескольким направлениям. Наиболее активно идет борьба за первое место по следующим критериям:
Диагональ экрана.
Аппаратное оснащение и быстродействие.
Габариты (если конкретнее, то борьба идет за снижение толщины).
Мощный автономный источник питания.
Как мы видим, вопрос о том, нужна ли нам атомная батарейка для телефона, остается открытым. По расчетам ученных, телефоны в будущем можно будет оснастить батареями, которые работают по принципу реакции ядерного элемента под названием “тритий”. В таком случае телефоны смогут работать без подзарядки вплоть до 20 лет, по самым скромным подсчетам. Впечатляет, не правда ли?
Как нова идея об атомной батарее?
Идея создания миниатюрных атомных реакторов (речь идет об атомных аккумуляторах) появилась в светлых головах не так уж и давно. Было выдвинуто предположение о том, что использование подобного оснащения в соответствующих технических устройствах позволит разобраться с проблемой не только необходимости постоянной подзарядки, но и с другими.
ТАСС: атомная батарейка своими руками. Рассказывают инженеры
Первое заявление об изобретении батарейки, которая будет работать, основываясь на атомной энергии, сделало подразделение отечественного концерна под названием “Росатом”. Это был “Горно-химический комбинат”. Инженеры рассказали о том, что первый источник питания, который позиционируется как атомная батарейка, может быть создан уже в 2017 году.
Принцип работы будет заключаться в реакциях, которые произойдут при помощи изотопа “Никель-63”. Если говорить конкретнее, то речь идет о бета-излучении. Интересно, что батарейка, построенная по этому принципу, сможет работать примерно полвека. Размеры же будут очень и очень компактными. Для примера: если вы возьмете обыкновенную пальчиковую батарейку и сожмете ее в 30 раз, то вы сможете наглядно увидеть, какой размер будет иметь атомный аккумулятор.
Безопасна ли атомная батарея?
Инженеры абсолютно уверены в том, что такой источник питания не будет представлять никакой опасности для здоровья человека. Причиной такой уверенности стала конструкция батарейки. Безусловно, прямое бета-излучение любого изотопа будет наносить вред живому организму. Но, во-первых, в данном аккумуляторе оно будет “мягким”. Во-вторых, даже это излучение не выйдет наружу, поскольку оно поглотится внутри самого источника питания.
В связи с тем, что атомные батарейки “Россия А123” будут поглощать излучении внутри себя, не выпуская его наружу, эксперты уже сейчас строят стратегический прогноз на использование атомного аккумулятора в различных сферах медицины. Например, его могут внедрить в конструкцию кардиостимуляторов. Вторым по перспективности направлением является космическая индустрия. На третьем месте, конечно же, находится промышленность. За пределами тройки лидеров находится много ответвлений, в которых можно будет успешно использовать атомный источник энергии. Наиболее, пожалуй, важное из них - транспорт.
Недостатки атомного источника питания
Что же мы получаем взамен атомного аккумулятора? Так сказать, а что мы увидим, если посмотрим с другой стороны? Во-первых, производство подобных автономных источников энергии обойдется в копеечку. Инженеры точных сумм не пожелали назвать. Быть может, побоялись сделать неверно досрочные выводы. Однако была дана приблизительная оценка не в цифрах, а в словах. То есть “все очень дорого”. Что же, этого вполне следовало ожидать, прикинув суть дела просто логически. О серийном выпуске в промышленных масштабах говорить, пожалуй, слишком рано. Остается надеяться только на то, что со временем будут найдены альтернативные технологии, позволяющие создать атомный аккумулятор без ущерба его надежности и практичности, но гораздо дешевле.
К слову, ТАСС оценило 1 грамм вещества в 4 тысячи долларов. Таким образом, чтобы набрать необходимую массу атомного вещества, которое обеспечит долговременное использование батареи, в настоящее время необходимо потратить 4,5 миллиона рублей. Проблема заключается в самом изотопе. В природе его просто-напросто не существует, создают изотоп при помощи специальных реакторов. В нашей стране их всего лишь три. Как говорилось раньше, может, со временем удастся использовать другие элементы, чтобы снизить затраты на производство источника.
Томск. Атомная батарейка
Изобретением атомных аккумуляторов занимаются не только профессиональные инженеры и конструкторы. Недавно студент обучавшийся в аспирантуре, разработал модель нового аккумулятора, работающего на ядерной основе. Зовут этого человека Дмитрий Прокопьев. Его разработка способна в нормальном режиме функционировать 12 лет. За это время ее не нужно будет заряжать ни разу.
Центром системы стал радиоактивный изотоп под названием “тритий”. При умелом использовании он позволяет направить энергию, освобождающуюся во время в нужное русло. При этом энергия освобождается частями. Можно сказать, дозировано или порционно. Напомним, что период полураспада этого ядерного элемента составляет порядка 12 лет. Именно поэтому использование батареи на данном элементе возможно в течение указанного срока.
Преимущества трития
По сравнению с атомным аккумулятором, который имеет кремниевый детектор, атомная батарейка на основе трития не изменяет своих характеристик со временем. И это является ее несомненным плюсом, надо отметить. Протестировали изобретение в Новосибирском институте ядерной физики, а также в физико-техническом институте Томского университета. Атомная батарейка, принцип работы которой основан на ядерной реакции, имеет определенные перспективы. Это, как правило, сфера электроники. Наряду с ней стоят военная техника, медицина и аэрокосмическая отрасль. Об этом мы уже говорили.
Заключение
При всей дороговизне производства атомных аккумуляторов будем надеяться на то, что мы все же встретим их в телефонах ближайшего будущего. Теперь пара слов об элементе, который будет составлять основу аккумулятора. Тритий, безусловно, по своей природе - ядерный. Однако излучение данного элемента слабое. Навредить человеческому здоровью оно не может. Внутренние органы и кожа не пострадают от умелого использования. Именно поэтому для использования в батареях был выбран именно он.
Российские физики разработали батарейку, которая может преобразовывать в электричество энергию бета-распада – излучения электронов радиоактивным элементом.
Коллектив исследователей из Московского института стали и сплавов под руководством заведующего кафедрой материаловедения полупроводников и диэлектриков профессора Юрия Пархоменко представил прототипы радиоизотопных батареек, созданных по технологии преобразования энергии бета-излучения в электрическую энергию на основе монокристаллов пьезоэлектриков. В качестве источника использован радиоактивный изотоп «никель-63». Его период полураспада около 100 лет, что позволяет создавать элементы питания со сроками службы до 50 лет.
Представленный МИСиС прототип ядерной батарейки
Руководитель работы профессор Юрий Николаевич Пархоменко
Такие батарейки часто называют также «ядерными», поскольку в них используется процесс бета-распада, при котором один из нейтронов ядра превращается в протон с испусканием электрона. Хотя бета-распад - один из видов радиоактивного излучения, людям нечего бояться. Бета-излучение в данном случае обладает малой проникающей способностью и легко задерживается оболочкой. А используемый изотоп «никель-63» не имеет сопутствующего гамма-излучения. Так что сами батарейки не излучают и совершенно безопасны.
Чтобы компенсировать малую мощность природного бета-распада, физики используют импульсный режим с накоплением заряда. В этом случае удается обеспечить непрерывную мощность электрического тока 10-100 нановатт с каждого кубического сантиметра устройства. Такой мощности достаточно для питания, например, кардиостимулятора.
Благодаря длительному сроку службы батарейки найдут применение в тех случаях, когда их замена нежелательна или просто невозможна: в медицине, ядерной энергетике, авиакосмической технике, нано- и микроэлектронике, в системах безопасности и контроля.
Выбор в качестве источника энергии несуществующего в природе изотопа «никель-63» неслучаен. В нашей стране разработана также уникальная технология его выработки в специальных ядерных реакторах и обогащения до необходимых «не ниже 80%». Производство батареек запланировано на в Красноярском крае.
Уникальные характеристики разработанного устройства, его компактность и безопасность позволяют надеяться на его конкурентоспособность на рынке аналогичных источников питания
Единственный недостаток батарейки – высокая стоимость. Из-за дороговизны производства никеля-63 на начальном этапе она может составлять несколько миллионов рублей. Однако по мере отработки технологии и налаживании массового производства цена неминуемо сильно упадет.
Еще в 50-е годы прошлого столетия, бетавольтика – технология извлечения энергии бета-излучения – рассматривалась учеными как основа для создания в будущем новых источников питания. Сегодня же есть реальные основания уверенно утверждать, что использование контролируемых ядерных реакций по своей природе является безопасным. Десятки ядерных технологий уже используются людьми в повседневной жизни, примером могут служить радиоизотопные детекторы дыма.
И вот, в марте 2014 года, ученые Чже Квон и Бек Ким, работающие в университете Миссури, Колумбия, США, воспроизвели первый в мире рабочий прототип компактного источника питания на основе стронция-90 и воды. В данном случае роль воды - энергетический буфер, что будет пояснено ниже.
Ядерная батарейка будет работать годами без обслуживания, и сможет производить электрический ток за счет процесса разложения молекул воды при их взаимодействии с бета-частицами и прочими продуктами распада радиоактивного стронция-90.
Мощности такой батарейки должно целиком хватить для питания электромобилей и даже космических аппаратов. Секрет нового продукта в объединении бетавольтаики и достаточно нового физического веяния - плазмонных резонаторов.
Плазмоны активно используются в последние несколько лет при разработке специфических оптических устройств, в числе которых сверхэффективные солнечные батареи, совершенно плоские линзы и специальная краска для печати с разрешением, во много раз превосходящим чувствительность наших глаз. Плазмонные резонаторы – это особые структуры, способные как поглощать, так и испускать энергию в виде световых волн и в виде других форм электромагнитного излучения.
Сегодня уже существуют радиоизотопные источники питания, которые преобразуют энергию распада атомов в электрическую, но это происходит не напрямую, а через цепочку промежуточных физических взаимодействий.
Вначале таблетки радиоактивных веществ нагревают корпус контейнера, в котором расположены, затем уже это тепло преобразуется в электричество посредством термопар.
На каждом этапе преобразования теряется огромное количество энергии, от этого КПД таких радиоизотопных батареек не превышает 7%. Бетавольтика же долгое время не использовалась на практике из-за весьма быстрого разрушения частей батареек от радиации.
В конце концов, ученые нашли способ, как напрямую преобразовывать энергию, высвобождаемую вместе с продуктами распада нестабильных атомов. Выяснилось, что бета-частицы (электроны, скорость которых при распаде атома достаточно высока) способны разлагать молекулы воды на водород, гидроксил-радикал и прочие ионы.
Исследования показали, что эти, полученные в результате разложения, части молекул воды, можно использовать для прямого извлечения энергии, поглощенной ими в результате столкновения с бета-частицами.
Для того, чтобы водная ядерная батарейка заработала, необходима особая структура из сотен микроскопических столбиков оксида титана, покрытых пленкой из платины, похожая по форме на расческу. В ее зубьях и на поверхности платиновой оболочки расположено множество микро пор, через которые названные продукты распада воды смогут проникать внутрь устройства. Так в процессе работы батарейки в «расческе» протекает ряд химических реакций - происходит разложение и формирование молекул воды, при этом возникают и захватываются свободные электроны.
Выделяемая во время всех названных реакций энергия, поглощается «иголками» и преобразуется в электричество. Благодаря возникающим на поверхности столбиков плазмонам, обладающим особыми физическими свойствами, такая водно-ядерная батарейка достигает максимального КПД, который может составить 54%, а это почти десятикратно превосходит классические радиоизотопные источники тока.
Используемый здесь ионный раствор очень сложно заморозить даже при достаточно низких температурах окружающей среды, что позволяет применять батареи, изготовленные по новой технологии, для питания электромобилей, а при правильной упаковке, - и в космических летательных аппаратах для различных целей.
Период полураспада радиоактивного стронция-90 составляет примерно 28 лет, поэтому ядерная батарейка Квона и Кима сможет проработать без существенной потери в мощности в течение нескольких десятилетий, причем снижение мощности составит всего 2% за год. Такие параметры, считают ученые, открывают ясную перспективу для повсеместного распространения электромобилей.
Сегодня атомную батарейку уже можно купить в интернете. Во всяком случае такие предложения есть. За эту экзотику, произведенную, к примеру, в США, нужно выложить 1000 долларов. Китайская обойдется дешевле. Зачем нужны столь супердорогие "игрушки"?
Главное достоинство - долговечность. Срок службы может быть и 20, и 50, и 100, и даже тысяча лет. Все зависит от периода полураспада радиоактивного изотопа - источника энергии. Отсюда и возможные области применения. Конечно, медицина, прежде всего кардиостимуляторы. Химические батарейки разряжаются, их приходится периодически менять. С "вечным" источником энергии такой проблемы вообще нет. Еще сфера применения - космос. С атомной батарейкой можно отправляться в дальние миссии, не думая о том, чем питать электронику.
Но все это пока действительно экзотика. И причина не только цена. Характеристики атомных батареек далеки от требуемых. Речь прежде всего о низкой удельной мощности и низком КПД, что предельно ограничивает сферу применения. Как изменить ситуацию? Над этим бьются в ведущих лабораториях мира. И здесь работа группы российских ученых из МФТИ, ФГБНУ "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" и МИСиС может стать прорывом. Ими создана батарейка, у которой удельная мощность и КПД в 10 раз выше, чем у всех созданных на сегодня аналогов. За счет чего это удалось?
Источником энергии у нас служит изотоп никель-63 с периодом полураспада около 100 лет, - говорит руководитель разработки доктор физико-математических наук Владимир Бланк. - Этот изотоп испускает бета-частицы, которые создают электрический ток в полупроводнике из алмаза. Ноу-хау нашей разработки именно в этом материале. Его уникальные свойства позволили на порядок улучшить параметры атомной батарейки.
Бланк подчеркивает, что хотя, с одной стороны, алмаз имеет ряд привлекательных качеств, но никто из конкурентов с ним не работает. Достаточно сказать, что в созданном нашими учеными устройстве толщина полупроводников из алмаза должна быть как у обычного полиэтиленового пакета - несколько десятков микрон. Как "настрогать" такие тонкие пластины из самого твердого минерала во Вселенной? Российским ученым удалось решить проблему, создать оригинальную технологию обработки алмаза.
Наша ядерная батарейка это своего рода слоеный пирог, между 200 алмазными полупроводниками установлены 200, изготовленных из никеля-63, источников энергии, - говорит Бланк. - Высота батарейки 3-4 миллиметра, вес 250 миллиграмм. Это в разы меньше, чем у всех современных аналогов.
Такие габариты - еще один плюс российской разработки. Расчеты показывают, что все известные на данный момент прототипы ядерных батарей имеют лишний объем. Вообще поиск оптимальных размеров - очень непростая задача. Если толщина изотопа слишком велика, рождающиеся в нем электроны не смогут его покинуть. С другой стороны, сильно уменьшать толщину тоже невыгодно, поскольку уменьшается число бета-распадов в единицу времени. Аналогичная ситуация и с толщиной полупроводника.
Чтобы найти максимум параметров, мы построили модель движения электронов в изотопе и полупроводниках, - говорит Бланк. - Оказалось, что эффективнее всего батарейка работает при толщине изотопа около двух микрон, а алмазного полупроводника 10 микрон.
По словам Бланка, достигнутая рекордная удельная мощность - это не предел. Ученые знают, как ее повысить еще минимум в три раза. Понятно, что чем она выше, тем больше сфер применения атомной батарейки. И ниже цена, ведь она уменьшается при масштабном серийном выпуске. Впрочем, по мнению Бланка, даже сейчас при разумной организации производства цена такой батарейки сравнима с ценой химических источников питания, которые применяются в кардиостимуляторах. Атомные батарейки безопасны для человека, так как излучение полностью поглощается внутри корпуса.
Инфографика "РГ": Антон Переплетчиков / Юрий Медведев
Сорок лет назад был создан первый мобильный телефон, а сегодня уже изобретена атомная батарея для него. Технологический прогресс в последние годы идет настолько уверенно, что на прилавках магазинов электроники появляются такие новинки, о которых еще совсем недавно писали фантасты.
Как вы считаете, сколько способен продержаться без подзарядки современный смартфон? Среднее время автономной работы подобного устройства составляет 1-3 суток. А если его оснастить аккумулятором, работающим на основе реакции трития, то это время можно будет растянуть до 20 лет!
Неужели телефоны могут работать на атомных аккумуляторах?
Подобная идея среди ученых появилась относительно недавно. По их предположению, использование атомной энергетики в работе современных гаджетов может решить множество проблем, связанных с постоянной необходимостью подзарядки.
Тритий является радиоактивным веществом, но его излучение слишком слабое. Оно неспособно навредить здоровью человека. От него не пострадает ни кожа, ни внутренние органы – это известно ученым с незапамятных времен. Именно радиоактивный тритий выступает своего рода топливом, которое будет содержаться в этих батареях.
Батарея представляет собой интегральную микросхему, источником энергии которой является ядерная реакция трития. Такой принцип работы позволяет производить 0.8 – 2.4 ватт энергии. И этот уровень вырабатываемой электроэнергии может поддерживаться на протяжении 20 лет, при этом радиоактивную батарею не придется подзаряжать.
Многие не подозревают, что тритий уже давно используется во многих сферах производства. Каждый из нас видел, либо носил часы, стрелки которых отчетливо светятся в темноте. В большинстве случаев для создания такого эффекта используется именно этот радиоактивный элемент. Он не получил распространения в основной сфере атомной энергетики из-за своего минимального радиоактивного излучения.
Среди особенностей аккумулятора, которому посвящен сегодняшний обзор, следует также выделить его устойчивость к внешним факторам. Он отлично работает при резких перепадах высоты, давления и температуры, а также демонстрирует хорошую стойкость при сильных вибрациях. Что касается температуры, то ее диапазон составляет от -50 до +150 градусов по Цельсию.
Несмотря на то, что эта идея еще не внедрена в производство, известна приблизительная стоимость атомной батареи - 124 доллара. Но далеко не каждый человек, даже если ему нужна высокая производительность его телефона, согласится на ношение в своем кармане крохотного радиоактивного источника энергии.
