Атом в кармане: безопасные радионуклидные батареи будут служить 25 лет 0

Ядерные источники питания, способные десятилетиями работать без обслуживания и зарядки — это уже реальность. Они питают разную технику, от кардиостимуляторов до космических зондов. Научный обозреватель Forbes Анатолий Глянцев рассказывает о важном шаге к более широкому внедрению «карманной» атомной энергии

Плутоний под сердцем

В 1970-х около 3000 пациентов в США получили кардиостимуляторы, работающие на плутонии-238. Самый долгоживущий из них проработал 35 лет. Это огромное преимущество, ведь обычные источники питания для кардиостимуляторов требовали замены — и, значит, хирургической операции — каждые несколько лет.

Причина такой долговечности проста: радиоактивный распад дает в 100-1000 раз больше энергии на грамм, чем можно запасти в обычном аккумуляторе. К тому же ход этого распада не зависит от температуры, давления и других внешних условий. Ядерная батарейка — устройство класса «поставил и забыл».

Безопасно ли имплантировать радиоактивное вещество прямо под сердце? Да, если изотоп правильно выбран. Альфа-частицы легко поглощаются веществом, от них защитит даже лист бумаги или неповрежденная кожа. От бета-излучения спасет металлический корпус устройства. Гамма-лучи легко проходят через вещество и поэтому опасны, но инженеры специально выбирают изотопы с малой или нулевой гамма-активностью.

С другой стороны, источник питания безопасен, лишь пока корпус герметичен. Поэтому важно спрятать ядерную батарейку туда, где никто нечаянно не проковыряет в ней дырочку — например, в человеческое тело. Это одна из причин, по которым подобные устройства не используются везде и всюду.

Другая важная причина — трудности с преобразованием энергии радиоактивного распада в электрическую. Батареи на плутонии-238 представляли собой радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи). Частицы, испущенные радионуклидом, поглощались веществом-мишенью. От этого мишень нагревалась, и уже тепловая энергия превращалась в электрическую. Это классическая схема, которая используется для питания космических аппаратов, маяков на необитаемых берегах и т.д. Проблема РИТЭГов в низкой эффективности — в дело идет всего 6% выделяемой изотопом энергии. Кроме того, батарея для кардиостимулятора — это, пожалуй, предел для их миниатюризации. Между тем у инженеров большие планы на питание именно миниатюрных устройств: имплантатов в глаза, уши и мозг, микрочипов, разного рода маячков и т. д.

План бета

В те же 1970-е использовались элементы на прометии-147 с красноречивым названием Betacel («бета-батарейка»). Коробочка объемом 16 см3 (чуть больше половины спичечного коробка) обеспечивала кардиостимулятор энергией на 10 лет. Принцип действия Betacel был основан на том, что бета-излучение — это электроны. Попадая в полупроводник, они создают электрическое напряжение.

Подобный способ выработки энергии назвали бетавольтаикой. Пожалуй, это самая активно развивающаяся область «ядерной микроэнергетики». Специалисты экспериментируют с разными изотопами. Период полураспада прометия-147 (время, за которое количество изотопа уменьшается вдвое) — менее трех лет. Более долговечные решения — тритий (12 лет), никель-63 (100 лет) и даже углерод-14 (более 5700 лет). Но за долговечность приходится расплачиваться падением мощности. Ведь энергию дает именно распад атомных ядер, а если он идет ни шатко ни валко, то и мощность источника питания будет не ахти.

При этом бетавольтаическим элементам приходится конкурировать с традиционными источниками питания. Сегодня в кардиостимуляторах используются специальные модели литий-ионных аккумуляторов, служащие по 10-15 лет. Хотя долговременные исследования показывают, что «ядерные» стимуляторы по-прежнему требуют меньше хирургических вмешательств, разница уже не так велика. К тому же эксплуатировать бетавольтаическую батарею на предельных сроках становится рискованно: никто не может сказать, когда она на самом деле выйдет из строя. Радиоактивный распад — процесс очень стабильный и предсказуемый, а вот о деградации остальных элементов устройства этого не скажешь. Наконец, медики просто не хотят связываться с бюрократическими барьерами, неизбежно сопровождающими оборот радиоактивных веществ.

Пока эксперты отводят бетавольтаике чрезвычайно узкую нишу. Этот тип питания подходит для устройств мощностью от 10 нановатт до 0,1 милливатта, у которых есть жесткое ограничение либо на размеры (менее 1 см3), либо на срок службы (от 25 лет).

Но уже на подходе технологии, способные подарить ядерным батарейкам вторую жизнь. Они связаны с использованием альфа-излучения.

Внутренний свет

Альфа-частицы (ядра атомов гелия) несут в тысячи раз больше энергии, чем бета-частицы (электроны). Эффективно превращая эту энергию в электрическую, можно сделать источники питания столь же миниатюрные и долговечные, как в бетавольтаике, но гораздо более мощные. Тогда и спрос на них будет куда больше.

Однако для преобразования энергии невозможно в лоб применить тот же физический эффект. Тяжелые альфа-частицы влетают в вещество как пушечные ядра и повреждают полупроводник всего за несколько часов. Чтобы утилизировать их энергию, требуется другой метод.

Одна из идей — использовать люминофор, то есть материал, светящийся под действием альфа-излучения. А уже это свечение можно, в свою очередь, преобразовать в электроэнергию, как это делается в солнечных батареях.

Однако и здесь есть трудности. Альфа-излучение сильно поглощается веществом. Длина свободного пробега альфа-частицы не превышает сотых долей миллиметра. Это значит, что многие частицы вообще не долетят до люминофора.

Авторы новой статьи в журнале Nature решили эту проблему. Они объединили радиоактивный изотоп и люминофор в единую кристаллическую решетку. Расстояние между атомами америция, испускающими альфа-частицы, и тербия, испускающего свет, измеряется долями нанометра.

Получившийся источник питания имеет мощность 139 микроватт на кюри (кюри — единица активности, учитывающая массу радионуклида и скорость его распада). Это лучше, чем в любых других ядерных батарейках на альфа-распаде, но все еще очень далеко от цели. В цепочке «альфа-частицы — свет — электричество» энергия теряется на каждом этапе. В итоге устройство преобразует в электричество менее 1% энергии распада.

Есть и другие подходы к утилизации альфа-излучения. Пока трудно сказать, какой из них окажется самым успешным. Но судя по скорости, с которой развивается материаловедение, «альфа-элементы» могут войти в нашу жизнь в ближайшие десятилетия.