В умовах, де заміна батарей неможлива, а стабільність енергопостачання критична, традиційні джерела живлення втрачають свою актуальність. Нове покоління радіоізотопних джерел енергії, створене південнокорейськими вченими, обіцяє кардинально змінити підхід до живлення техніки у віддалених або автономних системах.Інженери з Інституту науки і технологій Тегу Кенбук (DGIST) представили бета-вольтаїчний елемент нового покоління, що не вимагає підзарядки і здатний стабільно генерувати електрику протягом десятиліть. Це стало можливим завдяки об'єднанню двох передових технологій: радіоактивних квантових точок на основі ізотопу вуглецю-14 і високоефективного перовскітного поглинача.
Як працює бета-вольтаїчна комірка?
Бета-вольтаїчні елементи - це особливий клас джерел живлення, які перетворюють енергію бета-розпаду радіоактивних ізотопів безпосередньо в електрику. На відміну від традиційних ядерних джерел, що використовують тепло (як, наприклад, у радіоізотопних термоелектричних генераторах), ці пристрої працюють за принципом прямої конверсії енергії бета-частинок (електронів), що викидаються в процесі радіоактивного розпаду.
Коли бета-частинки стикаються з напівпровідниковим матеріалом, вони збуджують у ньому електронно-дірочні пари. Ці заряджені частинки розділяються вбудованим електричним полем, створюючи електричний струм. Головною проблемою раніше було забезпечення високої ефективності перетворення енергії, стійкості до радіаційного руйнування і тривалої стабільності вихідної потужності.
Прорив DGIST: квантові точки і перовскіти
Південнокорейські вчені вирішили використати радіоактивний ізотоп вуглецю-14 (C-14), вбудувавши його в структуру квантових точок - наночастинок із контрольованими електронними властивостями. Ці квантові точки відіграють роль джерела бета-випромінювання, а невід'ємно з'єднаний з ними перовскітний напівпровідник виступає в ролі поглинача енергії частинок і перетворювача в електрику.
Перовскіти, вже широко відомі завдяки застосуванню в сонячних батареях, вирізняються високою рухливістю зарядів, легкістю виробництва і можливістю налаштування властивостей. У цьому проєкті вчені використовували хлорні добавки, щоб підвищити кристалічність перовскіту, зменшити кількість дефектів і тим самим забезпечити стійку та ефективну роботу протягом довгого часу.
Результат виявився вражаючим: рухливість електронів збільшилася в 56 000 разів, а елемент продемонстрував стабільну вихідну потужність протягом дев'яти годин безперервної роботи - перший крок до демонстрації практичної придатності такої комірки.
Потенціал і перспективи
Бета-вольтаїчні джерела енергії з ізотопом C-14 абсолютно безпечні за умови грамотної герметизації, мають низький рівень випромінювання і можуть працювати десятки років без обслуговування. Порівняно з літієвими і нікелевими акумуляторами, вони не бояться перегріву, вологи або екстремального холоду. Це робить їх ідеальними для використання в таких сценаріях, як:
● Датчики в зонах ядерного зараження або в глибоководних станціях;
● Імплантована медична техніка, де заміна джерела живлення неможлива;
● Космічні місії, автономні дрони та системи моніторингу;
● Техніка подвійного призначення та військові рішення для екстремальних умов.
На відміну від громіздких радіоізотопних генераторів минулого століття, нова технологія відкриває шлях до мініатюрних і безпечних автономних джерел енергії. Як заявив професор Су-Іл Ін, який очолював дослідження, команда вже працює над мініатюризацією і передачею технологій для комерційного використання.
