В 1964 году Айзек Азимов, которого попросили представить мир через 50 лет, написал::
“В бытовой технике 2014 года, конечно, не будет электрических кабелей, поскольку она будет питаться от долговечных батарей, работающих на радиоизотопах. Изотопы не будут стоить дорого, поскольку они станут побочными продуктами ядерных электростанций, которые к 2014 году будут обеспечивать более половины потребностей человечества в электроэнергии”.
Сегодня ядерное деление обеспечивает около 10% мировой электроэнергии. Азимова можно простить за то, что он так сильно ошибался. Он, как футуролог-фантаст, больше думал о самой технологии. Технологии предсказать легче, чем такие вещи, как общественное признание, иррациональный страх перед чем-либо ядерным или даже экономика (которую даже экономисты с трудом предсказывают).
Но он был совершенно не уверен в том, что ядерные батареи будут использоваться для работы большинства бытовых приборов и электроники. Сейчас это кажется причудливым ретро-футуристическим видением, чем-то из франшизы Fallout. Здесь препятствие для широкого внедрения ядерных батарей было в первую очередь технологическим (вопросы экономики и общественного признания еще даже не вступили в силу). Возможно ли, что видение Азимова все же сбудется, просто спустя десятилетия после того, как он думал? Теоретически это возможно, но все еще существует серьезное ограничение, которое на данный момент кажется губительным – выходная мощность по–прежнему крайне низкая.
Ядерные аккумуляторы, работающие за счет выработки термоэлектрической энергии, уже несколько десятилетий используются в аэрокосмической промышленности. Они работают за счет преобразования тепла, выделяющегося при распаде ядерных изотопов, в электричество. Их главное преимущество в том, что они могут работать длительное время, поэтому идеально подходят для использования в дальних космических аппаратах. Эти аккумуляторы имеют большой вес и работают при высоких температурах, поэтому не подходят для питания вашего пылесоса. Существуют также нетепловые ядерные аккумуляторы, которые не зависят от градиента температуры для выработки электроэнергии. Существуют различные типы аккумуляторов, в зависимости от частиц распада и механизма их преобразования в электричество. Это могут быть небольшие устройства с охлаждающей способностью, которые могут безопасно использоваться в коммерческих целях. На самом деле, какое-то время кардиостимуляторы с ядерным питанием были широко распространены, пока литий-ионные аккумуляторы не стали достаточно мощными, чтобы заменить их.
Одним из типов нетепловых ядерных аккумуляторов является бетавольтаический, который, по общему мнению, с наибольшей вероятностью получит широкое коммерческое применение. Они преобразуют бета-частицы, которые являются источником энергии –
“…энергия преобразуется в электричество, когда бета-частицы взаимодействуют с полупроводниковым p–n–переходом, создавая электронно-дырочные пары, которые отводятся в виде тока”.
Бета-частицы, по сути, представляют собой электроны или позитроны с высокой энергией, испускаемые при определенных типах радиоактивного распада. Они довольно безопасны с точки зрения радиации и наиболее опасны при вдыхании. При попадании на кожу они менее опасны, но при сильном воздействии могут вызвать ожоги. Небольшие количества, выделяющиеся в батарее, вряд ли представляют опасность, и вся идея заключается в том, что они улавливаются и преобразуются в электричество, а не излучаются в сторону от устройства. Бетавольтаические устройства часто называют “аккумуляторами”, но они не заряжаются и не подзаряжаются энергией. При изготовлении они обладают ограниченным количеством энергии, которое они выделяют с течением времени, но это время может длиться годами или даже десятилетиями.
Представьте, что в вашем смартфоне есть бета-вольтовый источник питания. Эту “батарейку” не нужно заряжать, и ее может хватить на 20-30 лет. В таком случае у вас может быть одна такая батарея, которую вы сможете использовать в последующих телефонах. Такой источник энергии также идеально подошел бы для медицинских целей, для удаленных приложений, в качестве резервного питания и для повседневного использования. Если бы они были достаточно дешевыми, я мог бы представить, что такие батареи широко используются в повседневной электронике. Представьте, что большинство устройств питались бы от сети самостоятельно. Насколько мы близки к такому будущему?
Хотелось бы сказать, что мы близки к этому или что такое видение неизбежно, но у бетавольтаики есть главный ограничивающий фактор – низкая выходная мощность. Это подходит для некоторых приложений, но не для большинства. Недавнее объявление китайской компании Betavolt напомнило мне об этой проблеме. Их пресс-релиз действительно выглядит как пропаганда высшего класса, но я старался читать между строк.
В качестве источника питания в их батарее используется никель-63, который безопасно разлагается на медь. В конструкции используется полупроводниковый кристалл алмаза, что не ново (о батареях с ядерным алмазом говорят уже много лет). В устройстве размером с монету они могут генерировать 100 микроватт (при напряжении 3 вольта) в течение “50 лет”. На самом деле период полураспада никеля-63 составляет 100 лет. Это более точный способ описать срок его службы. Через 100 лет он будет вырабатывать вдвое меньше энергии, чем при изготовлении. Поэтому говорить о том, что срок его службы составляет 50 лет, небезосновательно.
Проблема в 100 микроваттах. Обычный смартфон потребляет 3-5 Ватт энергии. Таким образом, батарея betavolt вырабатывает лишь 1/30-тысячную часть энергии, необходимой для работы вашего смартфона. Это на четыре порядка больше. И все же, Betavolt заявляет, что к 2025 году они выпустят версию своей батареи, которая сможет вырабатывать 1 Ватт энергии. Далее в статье говорится, что они планируют-
“продолжить изучение использования стронция-90, плетия-147, дейтерия и других изотопов для создания атомных энергетических батарей повышенной мощности со сроком службы от 2 до 30 лет”.
Я подозреваю, что эти две вещи связаны. Я имею в виду, что когда дело доходит до питания устройства с ядерным распадом, период полураспада напрямую связан с выходной мощностью. Если радиоизотоп распадается в два раза медленнее, то он вырабатывает в два раза меньше энергии (при заданной массе). Есть три переменные, которые могут повлиять на выходную мощность. Одна из них – начальная масса изотопа, который производит бета-частицы. Второе – это период полураспада этого вещества. И третье – эффективность преобразования в электричество. Я сомневаюсь, что эффективность может быть увеличена на четыре порядка.
Насколько я могу судить, эффективность бетавольтаики достигает примерно 5%. Так что, возможно, мы могли бы получить выигрыш на один порядок, если бы смогли спроектировать устройство с эффективностью 50% (что кажется значительным выигрышем). Откуда берутся остальные три порядка? Если вы используете изотоп с гораздо более коротким периодом полураспада, скажем, 1 год вместо 100 лет, разница будет на два порядка больше. Я просто не понимаю, откуда берется другой показатель. Для работы вашего смартфона вам понадобится 10 таких батареек, и даже в этом случае в течение года вы будете работать в половину мощности.
Кроме того, ядерные аккумуляторы вырабатывают энергию постоянно. Вы не потребляете от них энергию по мере необходимости, как в случае с литий-ионным аккумулятором. Они просто вырабатывают электричество с постоянной (и медленно убывающей) скоростью. Возможно, тогда такую батарею можно было бы соединить с литий-ионной батареей (или другой традиционной батареей). Ядерная батарея медленно заряжает традиционную батарею, которая управляет устройствами. Таким образом, ядерная батарея не нуждается в питании устройства и может вырабатывать гораздо меньше энергии, чем необходимо. Если вы используете устройство 10% времени, ядерная батарея может поддерживать его заряженным. Даже если ядерная батарея не будет вырабатывать всю необходимую устройству энергию, время между подзарядками будет намного больше, и вы никогда не останетесь без воды. Вы всегда можете подождать и накопить немного заряда для подзарядки в экстренной ситуации или вдали от источника питания. Таким образом, я вижу перспективу использования бетавольтаических батарей не только в устройствах, потребляющих небольшое количество энергии, но и в бытовых устройствах в качестве источника “тонкой” зарядки.
Поначалу это может показаться сложным, и нам нужно будет посмотреть, принесет ли это реальную пользу, которая оправдывает затраты. Но это правдоподобно. Я вижу, что в некоторых ситуациях это может быть очень полезно, и реальная переменная заключается в том, насколько широко будет внедрена такая технология.
