Союз атома и воды
Водно-ядерная батарейка. Источник: Baek Hyun Kim & Jae W. Kwon

Водно-ядерная батарейка. Источник: Baek Hyun Kim & Jae W. Kwon

Американские инженеры создали первую водно-ядерную батарейку, способную работать годами

Ученые из университета Миссури создали первый в мире прототип портативного источника питания, производящий электрический ток благодаря разложению молекул воды при их взаимодействии с бета-частицами и другими продуктами распада радиоактивного стронция-90. Подобная «ядерная батарейка», как уверяют ее создатели, способна работать годами без вмешательства извне и ее мощности должно хватить для питания автомобилей или даже космических аппаратов. Об устройстве и возможных вариантах применения этого прибора рассказывает пресс-служба университета.

«Бетавольтаика, технология извлечения энергии из бета-излучения, всерьез рассматривается учеными в качестве базы для новых источников питания еще с 50-х годов прошлого века. Сегодня можно смело говорить о том, что технологии, использующие контролируемые ядерные реакции, не являются опасными по своей природе. Сегодня мы уже используем десятки различных ядерных технологий в нашей повседневной жизни, в том числе детекторы дыма в наших спальнях и указатели на аварийные выходы в офисных зданиях», — рассказывает Чэ Квон из университета Миссури в Колумбии (США).

Квон и Пэк Ким, его коллега по лаборатории компьютерной и электрической инженерии, реализовали мечту многих инженеров космических аппаратов, объединив бетавольтаику с относительно новым веянием в физике — так называемыми плазмонными резонаторами. Они представляют собой особые структуры, способные поглощать и испускать энергию в виде световых волн и других форм электромагнитного излучения. В последние годы плазмоны активно используются при разработке экзотических оптических устройств, в том числе сверхэффективных солнечных батарей, абсолютно плоских линз и особой краски для печати с разрешением, многократно превосходящим чувствительность человеческого глаза.

Как объясняют физики, все существующие на сегодня радиоизотопные источники питания конвертируют энергию распада атомов в электричество не напрямую, а через опосредованную цепочку физических взаимодействий. Сначала таблетки из радиоактивных веществ нагревают корпус капсулы, в которой они находятся, и лишь потом это тепло преобразуется в электричество при помощи так называемых термопар — пластинок из особых сплавов нескольких металлов, при нагреве которых между ними возникает электрический ток.

На каждом этапе теряется большое количество энергии, из-за чего КПД всех радиоизотопных батареек сегодня не превышает 3–7%. Все существующие альтернативы термопарам, в том числе и бетавольтаика, не используются на практике из-за быстрого разрушения некоторых частей таких батареек под действием радиации или каких-то иных физико-химических процессов.

Чэ Квон. Источник: News Bureau / University of Missouri

Квон и Ким нашли способ практически напрямую превращать энергию, выбрасываемую вместе с продуктами распада нестабильных атомов. Они заметили, что бета-частицы (обычные электроны, разогнанные до высоких скоростей при распаде атома) могут разлагать молекулы воды на водород, гидроксил-радикал (ОН) и прочие ионы. Эти «обрывки» воды, как выяснили ученые в ходе экспериментов с плазмонами, можно использовать для извлечения энергии, которую они поглотили в результате столкновения с бета-частицами.

Для работы подобной водной ядерной батарейки необходима особая «нанорасческа» из сотен микроскопических столбиков, выращенных из оксида титана и покрытых пленкой из платины. В ее зубьях и на поверхности их платиновой оболочки присутствует множество микроскопических пустот и пор, через которые продукты распада воды могут проникать внутрь устройства.

Во время работы батарейки в этой «расческе» происходит сразу несколько химических реакций — в ней одновременно разлагаются и формируются молекулы воды, появляются и захватываются свободные электроны. Энергия, выделяемая во время всех этих реакций, захватывается «иголками» и превращается в электричество. Благодаря особым физическим свойствам плазмонов, возникающим на поверхности зубьев этой расчески, максимальный КПД у такой водной ядерной батарейки может достигать 54%, что почти в 8–10 раз больше, чем у классических радиоизотопных источников тока.

«В данном случае вода играет роль энергетического буфера и, как оказалось, поверхностные плазмоны, возникающие в устройстве, очень неплохо увеличивают КПД батарейки. Ионный раствор, который мы использовали, достаточно сложно заморозить даже при низких температурах, что позволяет использовать подобные источники питания в качестве батарей для электромобилей и, при правильной упаковке и модификациях, в космических аппаратах для их снабжения теплом и электричеством», — добавляет американский физик.

На текущем этапе разработки таких батарей ученые используют достаточно необычный для западной науки источник бета-частиц — стронций-90, который раньше применялся только в советских радиоизотопных генераторах для маяков и космических аппаратов  и в серии американских военных спутников Sentinel. Период полураспада этого изотопа составляет около 28 лет, благодаря чему батарейка Квона и Кима должна проработать без достаточно высокой потери в мощности на протяжении нескольких десятилетий — каждый год такой источник питания будет терять всего 2% от его мощности. Это открывает дорогу для создания и широкого распространения ядерных электромобилей, считает Квон.

Два корабля Далее в рубрике Два корабляЧастные космические корабли позволят НАСА перестать полагаться на российские «Союзы» для вывода астронавтов на орбиту Читайте в рубрике «Наука и технологии» Российские больницы перейдут на лечение по ИнтернетуНормативная база под новшевство будет подготовлена в 2017 году Российские больницы перейдут на лечение по Интернету

Комментарии

17 сентября 2014, 17:07
Не сильно понял по физическую составляющую данной батареи, посему прошу предоставить опытный экземпляр для бета-тестирования, обязуюсь перепробовать все варианты данной батареии, получается теперь ее и накопителем не назовешь
17 сентября 2014, 18:17
Ну почему же, просто энергия накапливалась не искусственно,а уже накопилась давно)
18 сентября 2014, 19:58
Верно. Это уже скорее ращепитель, а не накопитель. Вот только насколько вредная вся эта нехитрая конструкция? Подозреваю, что выброс радиоактивности во внешнюю среду она несомненно делает...!?
18 сентября 2014, 15:43
Атомная батарейка- мечта моя со школы. Как только я узнал,про атомную энергию,я захотел иметь хотя бы одну ядерную батарейку для своего кассетного плеера Касио, потому что он очень быстро сажал батарейки при быстрой перемотке.
18 сентября 2014, 19:59
Возможно, что имея такую в детстве вы бы из-за её излучения не дожили бы до нынешних дней...
Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Интересное в интернете
Читайте самое важное в вашей ленте
Подпишитесь на «Русскую планету» в социальных сетях и читайте наиболее актуальные материалы
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!
Станьте нашим читателем,
сделайте жизнь интереснее!
Помимо актуальной повестки дня, мы также публикуем:
аналитику, обзоры, интервью, исторические исследования.
личный кабинет
Спасибо, я уже читаю «Русскую Планету»