Наш атом у кишені: коли світ перейде на ядерні батарейки

Ядерні джерела живлення здатні десятиліттями працювати без обслуговування та зарядки, — це вже реальність. Вони живлять різну техніку, від кардіостимуляторів до космічних зондів.

Плутоній під серцем

У 1970-х роках близько 3000 пацієнтів США отримали кардіостимулятори, що працюють на плутонії-238. Найбільш довгоживучий із них пропрацював 35 років. Це величезна перевага, адже звичайні джерела живлення для кардіостимуляторів вимагали заміни — і, отже, хірургічної операції 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 безпечне, лише поки корпус герметичний. Тому важливо сховати ядерну батарейку туди, де ніхто ненароком не зробить у ньому дірочку — наприклад, у людське тіло. Це одна з причин, через які подібні пристрої не використовуються скрізь.

Інша важлива причина - проблеми з перетворенням енергії радіоактивного розпаду в електричну. Батареї на плутонії-238 були радіоізотопні термоелектричні генератори (РІТЕГи). Частки, випущені радіонуклідом, поглиналися речовиною-мішенню. Від цього мішень нагрівалася, і вже теплова енергія перетворювалася на електричну. Це класична схема, яка використовується для живлення космічних апаратів, маяків на безлюдних берегах тощо. Проблема РІТЕГів у низькій ефективності — у справу йде всього 6% енергії, що виділяється ізотопом. Крім того, батарея для кардіостимулятора це, мабуть, межа для їх мініатюризації. Тим часом у інженерів наявні великі плани на живлення саме мініатюрних пристроїв: імплантатів в очі, вуха та мозок, мікрочипів, різного роду маячків тощо.

План бета

У ті ж 1970-і роки використовувалися елементи на прометії-147 з промовистою назвою Betacel (бета-батарейка). Коробочка об'ємом 16 см3 (трохи більше половини сірникової коробки) забезпечувала кардіостимулятор енергією на 10 років. Принцип дії Betacel був заснований на тому, що бета-випромінювання це електрони. Потрапляючи до напівпровідника, вони створюють електричну напругу.

Схожий спосіб вироблення енергії назвали бета-вольтаїкою. Мабуть, це область «ядерної мікроенергетики», що найактивніше розвивається. Фахівці експериментують із різними ізотопами. Період напіврозпаду прометію-147 (час, за який кількість ізотопу зменшується вдвічі) – менше трьох років. Більш довговічні рішення - тритій (12 років), нікель-63 (100 років) і навіть карбон-14 (понад 5700 років). Але за довговічність доводиться розплачуватися падінням потужності. Адже енергію дає саме розпад атомних ядер, а якщо він іде погано, то й потужність джерела живлення буде не дуже.

При цьому бета-вольтаїчним елементам доводиться конкурувати із традиційними джерелами живлення. Сьогодні в кардіостимуляторах використовуються спеціальні моделі літій-іонних акумуляторів, що працюють по 10-15 років. Хоча довгострокові дослідження демонструють, що «ядерні» стимулятори, як і раніше, вимагають менше хірургічних втручань, різниця вже не така велика. До того ж експлуатувати бета-вольтаїчну батарею на граничних термінах стає ризиковано: ніхто не може сказати, коли вона насправді вийде з ладу. Радіоактивний розпад - процес дуже стабільний і передбачуваний, а ось про деградацію інших елементів пристрою цього не скажеш. Зрештою, медики просто не хочуть зв'язуватися з бюрократичними бар'єрами, які неминуче супроводжують оборот радіоактивних речовин.

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.

Внутрішнє світло

Альфа-частинки (ядра атомів гелію) несуть у тисячі разів більше енергії, ніж бета-частинки (електрони). Ефективно перетворюючи цю енергію на електричну, можна зробити джерела живлення настільки ж мініатюрними та довговічними, як у бетавольтаїці, але набагато потужнішими. Тоді й попит на них буде значно більшим. Однак для перетворення енергії неможливо застосувати той самий фізичний ефект. Тяжкі альфа-частинки влітають у речовину як гарматні ядра й ушкоджують напівпровідник всього за кілька годин. Щоб утилізувати їхню енергію, потрібен інший метод.

Одна з ідей – використовувати люмінофор, тобто матеріал, що світиться під дією альфа-випромінювання. А вже це світіння можна, своєю чергою, перетворити на електроенергію, як це робиться в сонячних батареях.

Однак і тут є труднощі. Альфа-випромінювання сильно поглинається речовиною. Довжина вільного пробігу альфа-частинки не перевищує сотих часток міліметра. Це означає, що багато частинок взагалі не долетять до люмінофора. Автори нової статті у журналі Nature розв’язали цю проблему. Вони об'єднали радіоактивний ізотоп і люмінофор у єдині кристалічні ґрати. Відстань між атомами америція, що випускають альфа-частинки, і тербія, що випромінює світло, вимірюється частками нанометра.

Джерело живлення, що вийшло, має потужність 139 мікроват на кюрі (кюрі - одиниця активності, що враховує масу радіонукліда і швидкість його розпаду). Це краще, ніж у будь-яких інших ядерних батарейках на альфа-розпаді, але все ще дуже далеко від мети. У ланцюжку «альфа-частинки - світло – електрика», енергія втрачається на кожному етапі. У результаті пристрій перетворює на електрику не більше 1% енергії 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.