Наш атом у кишені: коли світ обере ядерні акумулятори
Ядерні джерела живлення здатні десятиліттями працювати без обслуговування та зарядки, -- це вже реальність. Вони живлять різну техніку, від кардіостимуляторів до космічних зондів.
У 1970-х роках приблизно 3000 американських пацієнтів стали власниками кардіостимуляторів, що функціонували на основі плутонію-238. Найбільш тривалий з цих пристроїв прослужив 35 років. Це було значною перевагою, оскільки традиційні джерела живлення для кардіостимуляторів вимагали заміни, що, в свою чергу, потребувало хірургічного втручання кожні кілька років.
Причина такої довговічності проста: радіоактивний розпад дає у 100-1000 разів більше енергії на грам, ніж можна запасти у звичайному акумуляторі. До того ж перебіг цього розпаду не залежить від температури, тиску та інших зовнішніх умов. Ядерна батарейка - пристрій класу "поставив і забув".
Чи безпечно імплантувати радіоактивну речовину прямо під серце? Так, якщо ізотоп правильно вибрано. Альфа-частинки легко поглинаються речовиною, від них захистить навіть аркуш паперу чи неушкоджена шкіра. Від бета-випромінювання врятує металевий корпус пристрою. Гамма-промені легко проходять через речовину і тому небезпечні, але інженери спеціально вибирають ізотопи з малою чи нульовою гамма-активністю.
З іншого боку, джерело живлення залишається безпечним лише до тих пір, поки його оболонка не пошкоджена. Тому важливо розмістити ядерну батарейку в такому місці, де ніхто ненавмисно не зможе зробити в ній отвір — наприклад, всередині людського організму. Це одна з причин, чому подібні технології не знаходять широкого застосування.
Ще одна суттєва причина полягає у викликах, пов'язаних з перетворенням енергії, що вивільняється під час радіоактивного розпаду, на електричну енергію. Плутоній-238 використовується у радіоізотопних термоелектричних генераторах (РІТЕГ), де частки, що випромінюються радіонуклідом, поглинаються спеціальною мішенню. Це призводить до її нагрівання, після чого теплову енергію можна перетворити в електрику. Така технологія традиційно застосовується для живлення космічних апаратів, маяків на необжитих узбережжях та інших подібних об'єктів. Проте, основна проблема РІТЕГів полягає у їхній низькій ефективності: лише 6% енергії, що виділяється ізотопом, використовується. Більш того, батарея для кардіостимулятора стала, напевно, межою для їхньої мініатюризації. Водночас інженери мають амбітні плани щодо живлення мініатюрних пристроїв, таких як імплантати для очей, вух та мозку, мікрочипи та різноманітні маячки.
У 1970-х роках у медицині почали використовувати елементи на основі прометію-147, відомі під назвою Betacel (бета-батарея). Ця компактна коробочка об'ємом 16 см³ (трохи більше сірникової коробки) могла забезпечувати енергією кардіостимулятор протягом 10 років. Принцип роботи Betacel полягав у тому, що бета-випромінювання складається з електронів, які, проходячи через напівпровідник, генерують електричну напругу.
Подібний метод генерації енергії отримав назву бета-вольтаїка. Це, напевно, одна з найперспективніших галузей "ядерної мікроенергетики", що активно розвивається. Експерти проводять дослідження з використанням різних ізотопів. Наприклад, період напіврозпаду прометію-147, під час якого кількість цього ізотопу зменшується вдвічі, становить менше трьох років. Серед більш стабільних варіантів можна назвати тритій (з періодом 12 років), нікель-63 (100 років) і навіть карбон-14, який має період понад 5700 років. Проте за тривалість існування таких джерел енергії доводиться платити зниженням їхньої потужності. Адже саме від розпаду атомних ядер залежить вироблення енергії, і якщо цей процес відбувається неефективно, то й вихідна потужність буде відповідно низькою.
Бета-вольтаїчні елементи стикаються з конкуренцією з боку традиційних джерел живлення. На сьогоднішній день кардіостимулятори використовують спеціалізовані моделі літій-іонних акумуляторів, які здатні працювати протягом 10-15 років. Хоча тривалі дослідження показують, що "ядерні" стимулятори все ще потребують менше хірургічних втручань, ця різниця вже не є такою значною. Крім того, експлуатація бета-вольтаїчної батареї на межі її терміну служби стає ризикованою: ніхто не може точно передбачити, коли вона вийде з ладу. Хоча радіоактивний розпад є стабільним і передбачуваним процесом, деградація інших компонентів пристрою часто не піддається прогнозуванню. В результаті лікарі не бажають мати справу з бюрократичними перешкодами, які неминуче пов’язані з використанням радіоактивних матеріалів.
Поки що експерти відводять бета-вольтаїці надзвичайно вузьку нішу. Цей тип живлення підходить для пристроїв потужністю від 10 новатів до 0,1 мілівата, у яких є жорстке обмеження або на розміри (менше 1 см3), або на термін служби (від 25 років). Але вже на підході технології, здатні подарувати ядерним батареям друге життя. Вони пов'язані з використанням альфа-випромінювання.
Альфа-частинки, які є ядрами атомів гелію, мають енергію, що перевищує енергію бета-частинок (електронів) тисячі разів. Якщо зуміти ефективно перетворити цю енергію на електричну, можна створити джерела живлення, які будуть не лише компактними та довговічними, як у випадку бетавольтаїки, але й набагато потужнішими. Це, у свою чергу, призведе до зростання попиту на такі технології. Проте, для перетворення енергії альфа-частинок не можна використовувати ті ж принципи, що й для бета-частинок. Важкі альфа-частинки проникають у матерію з великою швидкістю, завдаючи шкоди напівпровідникам всього за кілька годин. Тому для ефективного використання їхньої енергії необхідно знайти новий підхід.
Одна з концепцій полягає в застосуванні люмінофора – матеріалу, який випромінює світло при впливі альфа-випромінювання. Це світло, в свою чергу, можна перетворити на електричну енергію, подібно до процесу, що відбувається в сонячних панелях.
Проте, тут також існують певні труднощі. Альфа-випромінювання суттєво поглинається матеріалами. Довжина вільного пробігу альфа-частинок не перевищує сотих міліметра. Це означає, що значна кількість частинок не може досягти люмінофора. Вчені, які опублікували нову статтю в журналі Nature, знайшли вирішення цієї проблеми. Вони об'єднали радіоактивний ізотоп з люмінофором, створивши єдині кристалічні структури. Відстань між атомами америцію, що випускають альфа-частинки, і тербієм, який генерує світло, вимірюється в частках нанометра.
Вихідний блок живлення демонструє потужність 139 мікроват на кюрі (кюрі - це одиниця, що вимірює активність радіонукліда, враховуючи його масу та швидкість розпаду). Цей показник перевищує характеристики інших ядерних батарей, що працюють на основі альфа-радіації, але все ще не досягає бажаних значень. У процесі перетворення "альфа-частинки - світло - електрика" енергія втрачається на кожному з етапів. Як наслідок, ефективність пристрою обмежена, і він здатний конвертувати лише до 1% енергії, що вивільняється під час розпаду.
Є й інші підходи до утилізації альфа-випромінювання. Поки що важко сказати, який з них виявиться найуспішнішим. Але, судячи зі швидкості, з якою розвивається матеріалознавство, "альфа-елементи" можуть увійти в наше життя в найближчі десятиліття. Як ми можемо бачити, при реалізації всіх цих вже не футуристичних рішень використовуються елементи з ряду "критичних металів", що лише засвідчує ту вітальну роль, яку може відігравати наша галузь у спільній меті прогресу та покращення людського життя.
