Вчені з Московського фізико-технічного інституту, ФГБНУ «Технологічний інститут надтвердих і нових вуглецевих матеріалів» (ТІСНУМ) і Московського інституту сталі і сплавів оптимізували товщину шарів «ядерної батарейки», що використовує для генерації електричної енергії бета-розпад ізотопу нікелю-63. В одному грамі створеної ними батарейки запасене близько 3300 милливатт-годин, що є найкращим результатом серед «ядерних батарейок» на основі нікелю-63 і в десять разів перевершує щільність енергії, запасеної в звичайних хімічних елементах. Стаття опублікована в журналі Diamond and Related Materials. Коротко про досягнуті результати розповідає прес-реліз МФТІ.
Як працює батарейка
звичайні батарейки , Які використовують для харчування годин, кишенькових ліхтариків, іграшок та інших порівняно невеликих автономних електричних приладів, отримують електричну енергію за допомогою хімічних реакцій. В ході цих реакцій, які називають окислювально-відновні , Електрони «перетікають» через електроліт з одного електрода на інший, і на електродах виникає різниця потенціалів. Якщо з'єднати кінці батарейки проводом, електрони почнуть рухатися так, щоб різниця потенціалів зникла - по дроту потече струм. Хімічні батарейки, які також називають гальванічними елементами , Мають високу питому потужність, тобто відношенням потужності створюваного струму до обсягу батарейки, але порівняно швидко розряджаються, і це помітно обмежує їх автономну роботу. Звичайно, при певній конструкції хімічних елементів їх можна перезаряджати (тоді їх називають акумуляторами). Однак навіть в цьому випадку батарейку потрібно виймати з приладу, що може бути небезпечно або неможливо: наприклад, якщо вона забезпечує харчування кардіостимулятора або космічного апарату.
Трішки історії
На щастя, електричну енергію можна отримувати не тільки в хімічних реакціях. Понад сто років тому, в 1913 році Генрі Мозлі представив перший радіоізотопне джерело електричної енергії, який представляв собою посріблену зсередини скляну сферу, в центрі якої на ізольованому електроді розташовувався Радієвий джерело. Електрони бета-розпаду радію створювали різницю потенціалів між срібним шаром скляної сфери та центральним електродом. Таке джерело має надзвичайно високою напругою холостого ходу - в десятки кіловольт - і малим струмом, тому на практиці його використання майже неможливо.
У 1953 році Пол Раппапорт запропонував використовувати напівпровідникову структуру для перетворення енергії бета-розпаду радіоактивних елементів. Бета-частинки (електрони або позитрони) іонізують атоми напівпровідника і створюють нерівноважні носії зарядів, які при наявності статичної поля бар'єрної pn структури впорядковано рухаються, створюючи електричний струм. Засновані на цьому принципі елементи назвали бета-вольтіческімі. Головною перевагою таких елементів перед гальванічними виступає їх довговічність: період напіврозпаду деяких радіоактивних ізотопів становить десятки або сотні років, отже, потужність елемента буде залишатися майже незмінною протягом усього цього періоду. На жаль, питома потужність бета-вольтіческіх генераторів сильно поступається хімічним батареям. Проте, радіоактивні генератори все-таки використовували в 70-х роках для харчування кардіостимуляторів, однак згодом їх витіснили літій-іонні акумулятори, дешевизна виготовлення яких переважила довговічність бета-вольтіческіх елементів.
Зауважимо, що бета-вольтіческіе батарейки не слід плутати з радіоізотопними термоелектричними генераторами (Скорочено РІТЕГ), які теж іноді називають ядерними батареями. У цих пристроях енергія радіоактивних розпадів використовується для нагріву і створення потоку тепла, який потім конвертується в електричний струм за допомогою термоелектричних елементів. Ефективність РІТЕГ становить всього кілька відсотків і залежить від температури. Проте, через свою довговічності і щодо простого пристрою радіоізотопні генератори широко використовуються для харчування космічних апаратів - наприклад, зонда New Horizons або марсохода Curiosity . Раніше РІТЕГ також встановлювали на радіомаяки і метеостанціях, розташованих у важкодоступних областях, проте зараз цю практику припинили через труднощі утилізації та ризику витоку радіоактивних речовин.
Потужність підвищили на порядок
Група вчених під керівництвом Володимира Бланка, директора ФГБНУ ТІСНУМ і завідувача кафедрою «Фізика і хімія наноструктур» МФТІ, придумала спосіб майже на порядок підвищити питому потужність «ядерної батарейки». У розробленому і виготовленому ними елементі бета-частки випускаються радіоактивним ізотопом нікелю-63 і потрапляли в алмазні перетворювачі на основі бар'єру Шотткі . Повна електрична потужність батарейки склала близько 1 мкВт, а питома потужність досягла десяти мікроват на кубічний сантиметр - цього достатньо, щоб живити сучасний кардіостимулятор. Період напіврозпаду нікелю-63 становить близько ста років. Таким чином, в одному грамі батарейки запасене близько 3300 милливатт-годин, що в десять разів більше, ніж в хімічних батарейках.
Малюнок 1. Схема пристрою «ядерної батарейки». Дизайнер - Олена Хавіна, прес-служба МФТІ
Зразок «ядерної батарейки» складався з двохсот алмазних перетворювачів, чередуемих шарами фольги нікелю-63 і стабільного нікелю (рисунок 1). Потужність, що генерується перетворювачем, залежить від товщини нікелевої фольги і самого перетворювача, який поглинає бета-частинки. Всі відомі на даний момент прототипи ядерних батарей погано оптимізовані, так як мають зайвий обсяг. Якщо товщина бета-джерела занадто велика, електрони, що народжуються всередині нього, не зможуть покинути його. Цей ефект називається самопоглинання. З іншого боку, сильно зменшувати товщину джерела теж невигідно, оскільки разом з нею зменшується число бета-розпадів в одиницю часу. Аналогічні міркування можна застосувати і до товщини перетворювача.
Ядерна батарейка, зразок. Фото п редоставлено ФГБНУ ТІСНУМ
спочатку розрахунки
Перед ученими стояло мета: створити батарею на нікелі-63 з максимальною питомою потужністю, тобто без зайвого об'єму. Для цього вони чисельно змоделювали рух електронів в бета-джерелі і прилеглих перетворювачах і знайшли їх оптимальні товщини: виявилося, що найефективніше бета-джерело на основі нікелю-63 «працює» при товщині близько двох мікрометрів, а алмазний перетворювач на основі бар'єру Шотткі - при товщині близько 10 мікрометрів .
Малюнок 2. (а) залежність потоку енергії з нікелевої фольги від її товщини; (b) ефективність поглинання алмазним перетворювачем в залежності від його товщини. Видно, що в разі (a) насичення відбувається при товщині близько двох мікрометрів, а в разі (b) - при товщині близько десяти мікрометрів.
технологія виготовлення
Найбільш складним завданням було виготовлення великої кількості алмазних перетворювачів зі складною внутрішньою структурою товщиною всього в декілька десятків мікрон (як поліетиленовий пакет із супермаркету). Традиційні механічні та іонні методи зменшення товщини алмаза не підходили для вирішення такого завдання. Співробітники ФГБНУ ТІСНУМ і МФТІ розробили унікальну технологію синтезу і відщеплення тонких алмазних пластин від багаторазових алмазних підкладок для масового створення надтонких перетворювачів.
В якості вихідного матеріалу були використані 20 товстих підкладок з легованого бором алмазу, вирощеного методом температурного градієнта. За допомогою іонної імплантації в підкладках створювався дефектний шар товщиною близько 100 нанометрів на глибині близько 700 нанометрів. Поверх цього шару методом осадження з газової фази синтезировался гомоепітаксіальний (успадковує кристалічну структуру підкладки) шар слабо легованого бором алмазу товщиною 15 мкм. Потім методом високотемпературного відпалу дефектний шар піддавався графитизации, після чого віддалявся методом електрохімічного травлення. Після видалення дефектного шару заготівлю перетворювача знімали з підкладки і покривали контактами: омічним і Шотткі.
В ході всього описаного процесу підкладка втрачала менше 1 мкм товщини, після чого операції повторювалися. Таким чином на 20 підкладках були вирощені 200 перетворювачів. Розроблена технологія надзвичайно важлива з економічної точки зору: високоякісні алмазні підкладки стоять дуже дорого, тому не підходять для масового виробництва перетворювачів методом зменшення товщини.
Всі перетворювачі були об'єднані паралельно згідно зі схемою, показаної на малюнку 1. Технологія виготовлення фольги нікелю-63 товщиною 2 мікрони була розроблена в НВО «Луч». Батарею залили епоксидним клеєм для герметичності.
Батарея має характерну вольт-амперної характеристикою (рисунок 3). Напруга короткого замикання склало близько 1 вольта, а струм короткого замикання - близько 1 мкА. Найбільша електрична потужність W ≈ 0,93 мікроват досягалася при напрузі V ≈ 0,93 вольт. Така потужність відповідає щільності енергії близько 3300 милливатт-годин на грам, що в десять разів перевищує щільність енергії створеної раніше в ФГБНУ ТІСНУМ «ядерної батарейки» на основі нікелю-63 і в стільки ж разів перевершує звичайні хімічні батарейки.
Малюнок 3. (a) залежність сили струму і вихідної потужності, що видається батареєю, від напруги; (b) залежність вихідної потужності від опору підключеного до батареї навантаження.
У 2016 році вчені вже повідомляли про розробку прототипу ядерної батарейки на основі нікелю-63. У червні 2017 року працюючий зразок ядерної батарейки потужністю 1 мікроват з корисним об'ємом 1,5 кубічних сантиметрів був показаний ФГБНУ ТІСНУМ і НВО «Луч» на форумі «Атомекспо-2017».
Основним чинником, що обмежує виготовлення ядерних батарейок в Росії, є відсутність промислового виробництва і збагачення ізотопу нікелю-63. До середини 2020-х років планується поставити таке виробництво на потік .
Альтернативний спосіб створення ядерної батарейки на основі алмазу - виготовлення алмазних перетворювачів з радіоактивного вуглецю-14, що володіє надзвичайно великим періодом напіврозпаду, - 5700 років. Про розробку таких генераторів повідомляли фізики з університету Брістоля.
Майбутнє ядерних батарейок
Отриманий результат відкриває нові перспективи для медичних застосувань. Сучасні кардіостимулятори розміром понад 10 кубічних сантиметрів і споживають потужність близько 10 мікроват. Розроблена батарея може бути використана в якості джерела живлення такого кардіостимулятора практично без серйозних змін його конструкції і обсягу. «Вічний» кардіостимулятор значно підвищить якість життя пацієнтів, так як зникне потреба в його обслуговуванні і заміні батарей.
Також в розробці компактних ядерних батарей зацікавлена космічна промисловість. Зокрема, в даний час існує потреба в автономних бездротових зовнішніх датчиках і мікросхемах пам'яті з вбудованою системою харчування для космічних апаратів. Алмаз є одним з найбільш радіаційно стійких напівпровідників, і за рахунок великої ширини забороненої зони може функціонувати в широкому діапазоні температур, що робить його ідеальним матеріалом для створення ядерних батарей космічних апаратів.
Вчені планують продовжити свої дослідження в області ядерних батарей і пропонують основні напрямки розвитку даної тематики. По-перше, це підвищення збагачення нікелю-63 в батареї, що призведе до лінійного росту потужності. По-друге - розробка алмазної pin структури з контрольованим профілем легування, яка дозволить збільшити напругу, а значить, і корисну потужність батареї в 3 і більше разів. По-третє - збільшення площі поверхні перетворювача, що дозволить розмістити більше атомів нікелю-63 на одному перетворювачі.
Володимир Бланк, директор ФГБНУ ТІСНУМ і завідувач кафедрою «Фізика і хімія наноструктур» МФТІ, прокоментував: «Ми вже досягли видатного результату, який може бути застосований в медицині і космічній техніці, але не збираємося зупинятися на цьому. За останні роки наш інститут досяг значних успіхів у створенні високоякісних легованих алмазів, зокрема, алмазів з провідністю n-типу. Це дозволить нам перейти від бар'єру Шотткі до pin структурі і підвищити питому потужність батареї в 3 рази. А чим більше питома потужність, тим більша кількість застосувань може знайти наша розробка. Ми маємо хороший заділ в області синтезу алмазів високої якості і плануємо використовувати поєднання унікальних властивостей цього матеріалу для розширення компонентної бази радіаційно-стійкої електроніки та створення інноваційних електронних і оптичних пристроїв на його основі ».
