Атомная батарейка может работать десятилетиями

В последние годы появилась реальная возможность последовательно уменьшать размер многих технических изделий, особенно в сфере нанотехнологий. А вот источники питания всё ещё сравнительно велики да и недолговечны. Теперь американские исследователи создали поистине микроскопическую батарейку, которая может годами снабжать энергией такие устройства, как датчики дистанционного управления или, скажем, имплантируемые в тело человека медицинские приспособления. Откуда же берётся энергия такой батарейки? Представьте себе, из радиоактивных изотопов.

Батарейка нового типа способна преобразовывать энергию радиоактивного вещества непосредственно в движение. Она может напрямую двигать детали крошечной машины или генерировать электричество и подавать его в какой-то другой форме, более подходящей для миниатюрных устройств, нежели то, что мы имеем на данный момент. Такие источники питания идеально подходят для многих видов установок, где от этого зависит перспектива дальнейшей миниатюризации. Так считает Амиль Лал (Amil Lal), ассистент профессора в области электрических и компьютерных технологий при университете им. Корнелла в городе Итака (штат Нью-Йорк).

Между прочим, Эзра Корнелл (1807-1874), имя которого носит университет, был не только крупным американским финансистом. Он был ещё и квакером, а в этой христианской общине приветствуется благотворительность. Вот почему Корнелл учредил специальные гранты на исследовательскую работу. Но это потом, "под занавес". А прежде он разбогател, придумав, как можно навешивать телеграфные провода на столбы-опоры и, благодаря этому, стал основателем, директором и самым крупным владельцем акций телеграфной компании "Вестерн Юнион" (1855г). Её знают сегодня многие и у нас в России (по крайней мере, те, кому приходится срочно пересылать валюту). Но это так, к слову.

В августе 2002г в Детройте кандидат наук Хью Ли, который работает под руководством Лала в том же Корнеллском университете, представил и описал опытный образец нового энергообеспечивающего прибора на встрече исследователей DARPA - агентства по разработке передовых оборонных технологий. Он охарактеризовал этот образец как микроэлектронную электромеханическую систему, сокращённо — МЭМС. Показанный образец — уменьшенная версия прибора, спроектированного Лалом ещё в то время, когда он работал в Висконсинском университете (Медисон) вместе с профессорами-ядерщиками Бланчардом и Хендерсоном.

Краткое описание принципа работы опытного образца таково: бета-частицы (электроны), испускаемые тонкой плёнкой радиоактивного материала, поглощаются консолью, у которой заряд отрицательный. Консоль притягивается к положительно заряженной радиоактивной плёнке, пока не окажется достаточно близко, чтобы мог возникнуть электрический ток, уравновешивающий заряд. Тогда консоль отскакивает назад, и процесс повторяется.

Показанный в Детройте опытный образец выполнен из медной полоски шириной 1мм и длиной 2см. Толщина металла — всего 60микрометров (1 микрометр — это миллионная доля метра), и сделанная из него консоль располагается над тонкой плёнкой радиоактивного никеля-63 (изотоп никеля с другим числом нейтронов, нежели обычно). По мере распада изотопа он излучает бета-частицы. Радиоактивное вещество, как известно, может излучать бета-частицы, альфа-частицы или гамма-лучи, и в двух последних случаях энергия может оказаться опасной. Для своего прибора Лал избрал изотопы, излучающие бета-частицы, энергия которых слишком мала, чтобы проникать в кожу или под кожу.

Излучаемые электроны собираются на медной консоли, обеспечивая ей отрицательный заряд, а изотопная плёнка, теряя электроны, приобретает положительный заряд. Притяжение между плюсом и минусом клонит консоль книзу — до определённого положения. Рейка отталкивается и поднимается в исходное положение, затем всё начинается снова. Этот процесс чем-то напоминает работу дверного звонка, где электрическая цепь то замыкается, то размыкается, благодаря чему электромагнит приводит в движение рычажок звонка.

Радиоактивный изотоп может оставаться источником энергоснабжения в течение достаточно длительного периода — от нескольких недель до нескольких десятилетий. К примеру, период полураспада никеля-63 — более сотни лет, и Лал говорит, что батарейка на этом изотопе могла бы давать полезную энергию по меньшей мере лет пятьдесят.

Другие изотопы дают и другие возможности. И, в отличие от типичных химических аккумуляторов, приборы типа МЭМС могут функционировать при достаточно широком диапазоне температур. Возможные сферы их применения весьма разнообразны — это сенсорные датчики, используемые для мониторинга ракет в запечатанных контейнерах, сенсоры на поле возможных военных действий, где их не должно быть видно и где они остаются без присмотра в течение долгого периода, а также всевозможная медицинская аппаратура, которую имплантируют в тело пациента. Известно, например, что в мире есть немало пациентов со стимуляторами работы сердца, и им далеко не безразлично, каков размер используемой при этом техники.

Движущаяся вверх-вниз консоль может напрямую приводить в действие некий прибор, а может двигать кулачок или храповик, если требуется обеспечить вращательное движение. Намагниченный материал, прикреплённый к штоку, может производить электричество по мере того, как движется через катушку. Амиль Лал создал также версии МЭМС с консолью из пьезоэлектрического материала, который производит энергию при её деформации, давая импульс всякий раз, когда пластина поднимается. Можно получать и радиочастотные импульсы, которые используются при трансляции какой-то информации. В то же время Лал предполагает, что электрические импульсы могли бы использоваться со световыми диодами, если требуется выдавать оптический сигнал.

Помимо энергоснабжения других устройств, крошечные консоли могли бы использоваться как отдельные изолированные сенсоры. Обычно подобные приборы работают в вакууме. Однако можно разработать такие сенсорные датчики, которые были бы способны обнаруживать наличие какого-то конкретного газа, поскольку попадание газа в это устройство изменяет поток электронов между консолью и базой, что, в свою очередь, приводит к изменениям в амплитуде колебаний. Можно также обнаруживать перепады в температуре или давлении.

Сейчас группа учёных создаёт и тестирует всевозможные сенсоры, которым можно найти практическое применение, а также разнообразные варианты приборов для энергоснабжения, основанные именно на этой концепции. Как говорит Лал, опытный образец, показанный в августе в Детройте, — это просто-таки гигантское устройство по сравнению с теми, что создаются сейчас. По словам изобретателя, весь прибор в его нынешнем варианте, в том числе и его вакуумная оболочка, может занимать объём не более одного кубического миллиметра. Трудно представить себе батарейку такого размера, однако это именно то, что совсем ещё недавно обсуждалось лишь как перспектива развития на будущее. Понятно, что уменьшение размера источников питания повлечёт за собой дальнейшую миниатюризацию целого ряда приборов и устройств.

Павел Волгин, "На грани невозможного".