В «Пикнике на обочине» братьев Стругацких одним из артефактов, который сталкеры приносили из Зоны, был этак — маленький не разряжающийся источник энергии, который мог привести в движение легковушку. В повести этаки широко применялись в технике и даже привели к отказу от углеводородного топлива. Возможно ли такое в реальности?
Огонь батарея!
В октябре 2019 года канадские ученые предложили проект батарейки, которая не теряет энергию. Вообще никогда.
Такая батарея представляет собой квантовую сеть с высокой симметрией, в которой хранится экситонная энергия: она возникает, если электрон поглощает фотон высокой энергии. Если сохранять такую систему в т. н. темном состоянии — т. е. не позволять ей обмениваться энергией с окружающей средой — батарея не будет терять энергию.
Кроме того, такой источник питания имеет наноразмер, что позволяет его использовать в перспективных наноразработках.
Впрочем, это пока еще проект. Разработчикам предстоит придумать способ зарядки и разрядки квантовой батареи и возможность ее практического применения.
Однако датские и иранские физики указывают, что квантовые источники питания все-таки могут стареть. Их емкость, теоретически, может уменьшаться, если не позволить батарее полностью разрядиться (привет первым мобильникам с никель-металлогидридными аккумуляторами). Это связано с тем, что в батарее накапливается некоторое количество «бесполезной» энергии, и при высокой частоте циклов зарядки-разрядки ее емкость уменьшается.
Физики обращают внимание, что этот эффект наблюдается именно при быстрой разрядке квантовой батареи. Если же она будет разряжаться достаточно медленно, то и емкость не пострадает. Вопрос в том, будет ли это свойство подходящим для квантовых устройств.
Стоит принять во внимание, что создание такой батареи в ближайшие 5–10 лет, скорее всего, невозможно. Но в чуть более отдаленном будущем нанометровые аккумуляторы обеспечат ваш гаджет энергией на тысячу лет.
Алмазный мой источник
Впрочем, долгоживущая батарейка уже почти у нас в кармане. По крайней мере, компания Nano Diamond Battery обещает начать продажи уже в 2023 году.
Их бета-гальваническая батарейка вырабатывает энергию за счет радиоактивного распада. NDB предложила оригинальную идею: изотопы радиоактивного углерода-14 вводятся в искусственный алмаз (по сути, другой, стабильный изотоп углерода — углерод-12). Бета-излучение, взаимодействуя с алмазом, преобразуется в электрический ток. Чтобы такой маленький ядерный реактор был безопасен, сердечник окружен синтетическими алмазами.
Используемый в качестве источника бета-частиц изотоп углерода-14 имеет период полураспада 5700 лет — то есть он практически вечный. Кроме того, такая батарейка может производить большие излишки энергии, для хранения которых можно использовать суперконденсаторы.
Помимо прочего батарейки NDB можно делать в любой форме, т. е. по сути их можно «стилизовать» под привычные пальчиковые. Спектр применения тоже широк: от смартфонов до электромобилей. Причем последние выигрывают особенно: новые элементы питания дешевле и легче используемых сейчас литиевых батарей.
Также элементы питания решают важную экологическую проблему. Углерод-14 можно получать из облученных графитовых стержней ядерных реакторов (кстати, именно переработкой ядерных отходов изначально занималась NDB), т. е. производство таких углеродных батареек позволит избавить человечество от значительного количества опасных захоронений.
Элементы питания NDB проходили тест в Кавендишской лаборатории Кембриджа (Великобритания) и Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (США). Тесты показали, что ядерная батарейка на 40 % эффективнее литий-ионной.
Карманный атом
NDB — не единственные разработчики атомных батареек. Например, американская CityLabs предлагает использовать в качестве источника бета-распада тритий — радиоактивный изотоп водорода. Конструкция их элемента питания типична для подобных разработок и представляет собой «сэндвич», в котором слои источника излучения чередуются со слоями полупроводникового материала.
Достоинство трития в том, что это дешевый и доступный изотоп, а количество испускаемых им бета-частиц больше, чем у углерода-14. Однако период полураспада трития чуть больше 12 лет, так что батарейки с его применением уже нельзя назвать вечными.
В России тоже занимаются создание ядерной батарейки. Так, в Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС» предложили использовать в качестве источника энергии изотоп никель-63. Его период полураспада составляет около ста лет, однако в природе этот изотоп не встречается. Его необходимо получать из стабильного никеля-62, а это делает изготовление технологически сложным и дорогим — один грамм никеля-63 стоит 4000 долларов.
Конструкция батарейки от «МИСиС» отличается от распространенного «сэндвича», хотя принцип работы в ней тот же. Однако радиоактивные материалы размещаются не слоем поверх полупроводника, а в микроканалах внутри. Таким образом бета-частицы не расходуются впустую.
Пока что квантовые батарейки являются только теоретической разработкой. Ядерные батарейки имеют несколько существенных недостатков, не позволяющих им получить широкое распространение: изотопы дороги в производстве, элементы генерируют недостаточно мощности для крупных энергопотребителей.
Впрочем, ученые продолжают работать, а та же NDB амбициозно ставит своей целью «переизобрести электричество и создать планету без ископаемого топлива к 2040 году». Посмотрим, удастся ли претворить в жизнь фантазию Стругацких.