В условиях, где замена батарей невозможна, а стабильность энергоснабжения критична, традиционные источники питания теряют свою актуальность. Новое поколение радиоизотопных источников энергии, созданное южнокорейскими учёными, обещает кардинально изменить подход к питанию техники в отдалённых или автономных системах.

Инженеры из Института науки и технологий Тэгу Кенбук (DGIST) представили бета-вольтаический элемент нового поколения, который не требует подзарядки и способен стабильно генерировать электричество на протяжении десятилетий. Это стало возможно благодаря объединению двух передовых технологий: радиоактивных квантовых точек на основе изотопа углерода-14 и высокоэффективного перовскитного поглотителя.

Как работает бета-вольтаическая ячейка?

Бета-вольтаические элементы — это особый класс источников питания, которые преобразуют энергию бета-распада радиоактивных изотопов непосредственно в электричество. В отличие от традиционных ядерных источников, использующих тепло (как, например, в радиоизотопных термоэлектрических генераторах), эти устройства работают на принципе прямой конверсии энергии бета-частиц (электронов), выбрасываемых в процессе радиоактивного распада.

Когда бета-частицы сталкиваются с полупроводниковым материалом, они возбуждают в нём электронно-дырочные пары. Эти заряженные частицы разделяются встроенным электрическим полем, создавая электрический ток. Главной проблемой ранее было обеспечение высокой эффективности преобразования энергии, устойчивости к радиационному разрушению и длительной стабильности выходной мощности.

Прорыв DGIST: квантовые точки и перовскиты

Южнокорейские учёные решили использовать радиоактивный изотоп углерода-14 (C-14), встроив его в структуру квантовых точек — наночастиц с контролируемыми электронными свойствами. Эти квантовые точки играют роль источника бета-излучения, а неотъемлемо соединённый с ними перовскитный полупроводник выступает в роли поглотителя энергии частиц и преобразователя в электричество.

Перовскиты, уже широко известные по применению в солнечных батареях, отличаются высокой подвижностью зарядов, лёгкостью производства и возможностью настройки свойств. В этом проекте ученые использовали хлорные добавки, чтобы повысить кристалличность перовскита, уменьшить количество дефектов и тем самым обеспечить устойчивую и эффективную работу в течение долгого времени.

Результат оказался впечатляющим: подвижность электронов увеличилась в 56 000 раз, а элемент продемонстрировал стабильную выходную мощность в течение девяти часов непрерывной работы — первый шаг к демонстрации практической пригодности такой ячейки.

Потенциал и перспективы

Бета-вольтаические источники энергии с изотопом C-14 абсолютно безопасны при грамотной герметизации, обладают низким уровнем излучения и могут работать десятки лет без обслуживания. По сравнению с литиевыми и никелевыми аккумуляторами, они не боятся перегрева, влаги или экстремального холода. Это делает их идеальными для использования в таких сценариях, как:

• Датчики в зонах ядерного заражения или в глубоководных станциях;
• Имплантируемая медицинская техника, где замена источника питания невозможна;
• Космические миссии, автономные дроны и системы мониторинга;
• Техника двойного назначения и военные решения для экстремальных условий.

В отличие от громоздких радиоизотопных генераторов прошлого века, новая технология открывает путь к миниатюрным и безопасным автономным источникам энергии. Как заявил профессор Су-Ил Ин, возглавлявший исследование, команда уже работает над миниатюризацией и передачей технологий для коммерческого использования.