Компания утверждает, что разработан источник энергии, которого хватит на 28 тысяч лет

Представьте: всего одна батарейка может питать вашу инсулиновую помпу или кардиостимулятор на протяжении всей вашей жизни (с большим запасом времени).

Менее чем через два года вы сможете купить умные часы с ядерной алмазной батареей, которые переживут вас и ваших потомков на несколько поколений.

Научный прогресс никогда не останавливается. Учёные со всего мира ищут доселе неведомые способы сделать жизнь будущих поколений лучше. Одним из направлений данной деятельности является поиск более эффективных, доступных и при этом безопасных источников энергии. И вот, настоящий прорыв в этом деле совершили калифорнийские ученые: они разработали концепцию нанобатареи, которая прослужит 28 тысяч лет.

Потенциально революционная технология исходит от стартапа Nano Diamond Battery ( NDB ) из Сан-Франциско, который хвалит одноименную «мощную альфа-, бета- и нейтронную гальваническую батарею на основе алмазов» за ее способность давать устройствам «жизнь», а также долгая и зеленая энергия». Представьте: всего одна батарейка может питать вашу инсулиновую помпу или кардиостимулятор на протяжении всей вашей жизни (с большим запасом времени). Или он мог бы обеспечить работу космического марсохода, десятилетиями собирающего образцы марсианского реголита без какой-либо помощи человека.

Буквально на днях калифорнийская компания NDB презентовала концепт батареи, срок службы которой, по заверению разработчиков составит не менее 28 тысяч лет. Источником энергии в ней станут ядерные отходы. Таким образом, выходит, что питание нанобатарейки будет происходить за счет радиоактивных изотопов, которые используются в ядерных реакторах.

Это амбициозные цели. Итак, могут ли смелые заявления NDB стать реальностью? Или это обман ?

Для создания своей наноалмазной батареи NDB использует слои невероятно крошечных наноалмазов с панелями ( для контекста один нанометр равен одной миллиардной части метра). Алмазы обладают исключительной теплопроводностью, что делает их идеальными для электронных устройств. На самом деле, согласно публикации Инженерного колледжа Хьюстонского университета, они являются самым известным естественным проводником тепла и в три-четыре раза эффективнее меди или серебра.

Ученые выращивают эти миниатюрные алмазы с помощью химического осаждения из паровой фазы — процесса, при котором газы при чрезвычайно высоких температурах заставляют углерод кристаллизоваться на материале подложки. Этот процесс, признает NDB, создает узкое место в затратах; Изготовление специальных алмазов энергоемко и дорого.

В конце концов, это «искусственно легированные бором алмазы», объясняет Юрий Гогоци, директор Института наноматериалов имени А. Дж. Дрекселя в Университете Дрекселя в Филадельфии. (Гогоци не имеет никакого отношения к NDB.) В результате этого процесса получаются алмазы синего цвета и с более высокой проводимостью, чем у обычного алмаза. Настоящие голубые бриллианты встречаются в природе на Земле, но они реже и даже дороже, чем искусственные голубые бриллианты.

Почему «Голубые бриллианты»?

Алмазы в батарее NDB имеют красивый голубой оттенок благодаря следовым количествам бора, содержащимся в их углеродной структуре. Эти голубые бриллианты искусственные, но напоминают настоящие голубые бриллианты, которые являются одними из самых редких драгоценных камней на Земле. Согласно результатам исследования, проведенного в журнале Nature в августе 2018 года , они образуются в нижней мантии Земли, которая находится на глубине от 660 до 2703 км. Таким образом, вы можете найти голубые бриллианты только в трех рудниках во всем мире, что помогает объяснить их высокую цену: примерно 15 700 долларов за светло-голубой бриллиант весом 0,3 карата и 75 000 долларов за темно-синий бриллиант весом 0,25 карата.

Как только NDB получает наноалмазы, компания объединяет их с радиоактивными изотопами из ядерных отходов. В частности, они используют радиоактивные изотопы урана и плутония, «которые, вероятно, происходят из отходов радиоактивных электростанций», — говорит Гогоци.

Оттуда монокристаллические алмазы размером всего в несколько квадратных миллиметров отводят тепло от радиоактивно распадающихся изотопов так быстро, что транзакция фактически генерирует электричество. «Источники распада передают свою энергию на преобразователь NDB, который преобразует кинетическую энергию падающего излучения в электрическую энергию», — говорит Нима Голшарифи, генеральный директор NDB.

Вам, наверное, интересно, в чем подвох. Существует алмазная батарея, которая действительно использует ядерные отходы , работает тысячи лет и состоит из слоев только самых крошечных алмазов?

Эта технология немного сложнее. Каждая ячейка батареи будет производить лишь небольшое количество энергии , во-первых, поэтому ученые должны комбинировать ячейки в огромном количестве, чтобы регулярно питать большие устройства, что значительно увеличивает стоимость и сложность.

Однако Голшарифи рекламирует крошечный размер ячеек Nano Diamond Battery как преимущество масштабируемости. «Возьмите, к примеру, батарею для наручных часов — она потребляет около двух микроватт, [поэтому] было бы достаточно гораздо меньшей ячейки NDB», — объясняет он. «Поэтому, если нам нужно обеспечить питание другого приложения, количество сложенных ячеек можно увеличить, чтобы удовлетворить спрос».

Тем не менее, существует проблема износа: исследователи имплантируют ядерные отходы внутрь алмазных ячеек, что создает естественную структурную слабость, которая, согласно статистике, со временем в некоторых ячейках выйдет из строя, объясняет Гогоци. Когда в будущем нано-алмазная батарея станет широко доступной, есть шанс, что некоторые элементы сломаются или просто выйдут из строя вместе с устройствами, которые они питают.

«Это создает проблему ядерных отходов, которая неизбежна при использовании большого количества батарей », — говорит Гогоци. «Некоторые из них в конце концов развалятся. Это может не быть проблемой в космосе, но, безусловно, будет проблемой на поверхности Земли».

Как долго работает ядерная алмазная батарея?

Это не значит, что алмазная батарея не стоит того. Если эти проблемы будут решены, некоторые возможные приложения для него включают устройства длительного использования, такие как слуховые аппараты или кардиостимуляторы. «Возьмите ребенка, которому имплантировали слуховой аппарат, или пожилого человека с кардиостимулятором; люди не должны проходить через травмирующую операцию более одного раза», — объясняет Гольшарифи.

По словам NDB, батареи могут даже оказаться полезными в космических аппаратах, которые должны работать без посторонней помощи в течение многих лет. Возьмем , к примеру, спутники . Заявление NDB о том, что срок службы батареи составляет 28 000 лет, частично основано на этих маломощных космических приложениях. «Вояджер» — культовый космический зонд НАСА, предназначенный для изучения внешней части Солнечной системы, когда он был запущен в сентябре 1977 года, — использовал для питания три «многосотваттных радиоизотопных термоэлектрических генератора» (MHW-RTG). Выходная мощность каждого генератора начиналась всего со 158 Вт, что меньше энергии, чем вам нужно для питания домашнего светильника в течение года.

И если объединить достаточное количество этих алмазных аккумуляторных элементов, они все равно смогут питать электронику здесь, на Земле, с более высокими энергозатратами, от светодиодных дисплеев на планшетах до мобильных телефонов. Но для своего первого коммерческого продукта NDB планирует представить умные часы с ожидаемой датой запуска где-то в 2025 году. Если это действительно произойдет, вы можете владеть одними часами с одной батареей и передавать их из поколения в поколение, не нуждаясь в замене. о семейной реликвии.

Тем не менее, NDB раскрывает свои карты очень немного, разглашая несколько мельчайших подробностей о нано-алмазной батарее (например, ее плотность мощности). И пока нет даже видеодемонстраций технологии. Но перспектива радиоактивной алмазной батареи все еще вполне реальна, и грядущие умные часы NDB многое расскажут нам о применимости такой технологии в других приложениях. И мы будем ждать — все, что у нас есть, — это время .

Само собой, когда речь заходит об использовании радиоактивного ядра, возникает вопрос безопасности такого источника энергии. Поэтому нет ничего удивительного в том, что разработчики не только справились с решением этой проблемы, но и акцентировали на этом внимание во время презентации концепта. Так, источник энергии в батарее защищается синтетическими алмазами, которые расположены вокруг последнего в несколько рядов. Всем известно, что алмаз является одним из наиболее твердых и прочных материалов, повредить или сломать который будет очень непросто.Перевод с английского

ИСТОЧНИК

ИСТОЧНИК