Заборавете на полначите: Кина создаде нуклеарна батерија што може да работи повеќе од 1.000 години

Содржина:

• Кај обичната батерија работи хемија, кај атомската работи распадот на изотопот
• „Војаџер“ уште праќа сигнали од 1977 година, но земните батерии мораа да станат помали
• Од „Жулонг-1“ во 2024 до „Ќианџијуан Тианшу“ во 2026
• 22% помалку радиоактивен материјал, 2,6 пати поголема излезна моќност
• 17 кубни сантиметри, 2 волти и јаглерод-14 со полураспад од 5730 години
• А што е со Русија?
• Тогаш зошто Руските научници го избраа токму него?
• Слабото бета-зрачење не може да помине ни низ човечка кожа

Кај обичната батерија работи хемија, кај атомската работи распадот на изотопот

Обичните батерии, на пример литиум-јонските, се празнат прилично брзо, бидејќи енергијата во нив се создава преку хемиски реакции. Нуклеарната, односно атомската батерија, работи поинаку.
Во неа се наоѓа радиоактивен изотоп — нестабилна верзија на хемиски елемент. Атомите на оваа материја со текот на времето сами се распаѓаат, претворајќи се во други елементи и ослободувајќи енергија во форма на топлина или честички. Таквиот процес, по правило, се нарекува радиоактивен распад.
Но најважното за атомската батерија е периодот на полураспад — времето за кое се распаѓа точно половина од сите радиоактивни атоми. Кај различни материи овој период може да трае од делови од секунда до милијарди години. Употребата на елемент со долг период на полураспад и овозможува на батеријата да создава енергија со децении, па дури и со векови.

„Војаџер“ уште праќа сигнали од 1977 година, но земните батерии мораа да станат помали

Порано ваквите извори на енергија се користеа главно во вселената, каде што е невозможно да се смени батерија. На пример, тие беа поставени на американските сонди „Војаџер“, лансирани уште во 1977 година и кои до денес испраќаат сигнали, како и на кинеските месечеви ровери „Чанг’е-3“ и „Чанг’е-4“.
Но за задачи на Земјата тие беа премногу гломазни, скапи и често бараа висока температура за работа.
Кинеските научници си поставија цел: да направат нуклеарна батерија што е компактна, моќна и целосно од домашни материјали, за да може да се произведува во индустриски размери и да не зависи од испораки однадвор.

Од „Жулонг-1“ во 2024 до „Ќианџијуан Тианшу“ во 2026

Така, во 2024 година се појави првата верзија на кинеската атомска батерија под името „Жулонг-1“ (Свеќен змеј). По излегувањето на првата батерија следуваа нејзини доработки, а во 2026 година беше претставен подобрениот модел под името „Ќианџијуан Тианшу“.
За да ја усовршат батеријата, кинеските инженери направија точно пет модификации.
Прво, батеријата има нов полупроводник. Кинеската батерија функционира точно како руската: нејзиниот конвертор ги заробува бета честичките (електрони) емитирани за време на распаѓањето на радиоактивна супстанца. Кинеските инженери користеле нов тип на конвертор направен од силициум карбид. Силициум карбидот е издржлив и ефикасен полупроводник. Со заробување на бета честичките, тој директно ја претвора нивната енергија во електрична енергија.

22% помалку радиоактивен материјал, 2,6 пати поголема излезна моќност

Второ, новата батерија користи 22% помалку радиоактивен материјал од старата верзија, што ја прави поевтина и побезбедна.
Трето, и покрај заштедата на материјал, излезната моќност на батеријата се зголеми за 2,6 пати. Новата батерија сега е значително поефикасна во производството на електрична енергија.
Четврто, батеријата е направена покомпактна со промена на нејзината архитектура. Според научниците, презентираната батерија има тродимензионална, повеќеслојна структура. Така, со намалување на волуменот од само 17%, густината на моќноста (количината на енергија извлечена по единица волумен) се зголемила за приближно 15 пати.
И конечно, петто, во батеријата беше интегриран микро-систем за управување со енергија, дополнет со сензори. Оваа модификација ја направи батеријата „попаметна“ и способна за автономно работење.

17 кубни сантиметри, 2 волти и јаглерод-14 со полураспад од 5730 години

Веќе разговаравме за некои од техничките карактеристики на новиот производ погоре, но остануваат уште неколку зборови за неговите димензии и внатрешни компоненти – вистинското гориво што се користи за производство на електрична енергија.
Батеријата има димензии нешто повеќе од еден кубен инч. Претворено во метрички систем, тоа се околу 17 кубни сантиметри: 2,5 см x 2,5 см x 2,7 см.
Напонот на батеријата е 2 волти, а излезната моќност е 1,13 микровати. Од една страна, ова е многу ниско. Но, од друга страна, доволно е за напојување на одредени видови сензори или медицински импланти.
„Горивото“ на батеријата е изотопот јаглерод-14, кој има полуживот од 5.730 години. Затоа кинеските развивачи тврдат дека, теоретски, таквата батерија ќе трае со милениуми.

А што е со Русија?

Слична батерија беше создадена и во Русија пред шест години. Руските инженери, исто како и нивните кинески колеги, продолжуваат да го усовршуваат изумот, иако користат малку поинакви материјали.
Клучна улога во развојот има Националниот универзитет за наука и технологија MISiS, заедно со поврзаните претпријатија на „Росатом“. За разлика од кинеските научници, руските истражувачи се фокусирале на друг радиоактивен изотоп – никел-63.
Принципот на работа е сличен: бета-честичките што се ослободуваат при распаѓањето на никел-63 се заробуваат од полупроводник и на тој начин се претвораат во електрична енергија. Во Русија се развиваат и високоефикасни конвертори, а дијамантот се смета за еден од перспективните материјали за нивна изработка.
Главната разлика е во изборот на „горивото“ за батеријата. Никел-63 има полуживот од околу 100 години, што е значително пократко од полуживотот на јаглерод-14.

Тогаш зошто Руските научници го избраа токму него?

Се покажува дека бета-зрачењето на никел-63 има посоодветна енергија за ефикасно претворање во електрична енергија. Условно кажано, таква батерија загарантирано ќе работи неколку децении без забележлива загуба на моќност.
Развоите на руските научници, исто како и кинеските, не се насочени само кон вселенската индустрија, туку и кон медицината. Ваквите извори на напојување е разумно да се користат во пејсмејкери, тогаш тие нема да мора да се менуваат по хируршки пат.
Друга област на примена се арктичките проекти, кои бараат поставување сензори и светилници способни да работат без одржување во сурови услови.

Слабото бета-зрачење не може да помине ни низ човечка кожа

Сепак најважното кај ваквите батерии е нивната безбедна употреба. Работата е во тоа што слабото бета-зрачење не може да навлезе дури ни низ кожата на човекот, а самиот извор е затворен во цврсто куќиште од преобразувач што целосно го апсорбира и го претвора во електрична енергија.
Во однос на атомските батерии, Кина и Русија се движат во една иста насока — кон создавање компактни, безбедни и условно „вечни“ извори на напојување. Разликата е во изборот на изотопи и материјали за преобразувачи.