Науковці Північно-Західного педагогічного університету спільно з дослідниками Технологічного інституту Ганьсу Чжулун презентували ядерну батарею нового покоління. В основі пристрою — радіоактивний ізотоп вуглецю-14 та перетворювач із карбіду кремнію (SiC). Порівняно з попередньою моделлю новинка демонструє суттєво вищу ємність і, що принципово, є повністю розробленою власними силами без залучення іноземних компонентів.
Що таке ядерна батарея і чому вона служить тисячоліттями
Ядерна батарея — інша назва радіоізотопного або атомного джерела живлення — перетворює енергію розпаду радіоактивних ізотопів на електрику. Ключова перевага перед звичайними хімічними акумуляторами полягає в тривалості роботи: період напіврозпаду окремих ізотопів сягає тисяч років. Оскільки напіврозпад вуглецю-14 становить 5730 років, ядерна батарея на його основі здатна функціонувати практично необмежено довго в межах людського горизонту планування.
За словами видання Interesting Engineering, подібні джерела живлення ідеально підходять для космічних апаратів, дистанційних екологічних датчиків і потенційно — для медичних імплантатів за умови підбору безпечних радіоактивних матеріалів. NASA вже застосовувало ядерні батареї в місіях зондів Voyager у 1977 році та марсохода Curiosity у 2012 році. Китай, своєю чергою, використовував аналогічні технології в місячних місіях Chang’e-3 і Chang’e-4.
Від Zhulong-1 до Qianjiyuan Tianshu: еволюція китайської розробки
У 2024 році та сама дослідницька група створила першу ядерну батарею на основі вуглецю-14 — Candle Dragon-I (Zhulong-1). Нова модель отримала назву Qianjiyuan Tianshu. Вміст радіоактивних матеріалів у ній обмежений 22%, однак вихідна потужність зросла у 2,6 раза, тоді як напруга та стабільність роботи залишилися незмінними.
«Попередні версії страждали від низької вихідної потужності, поганої інтеграції та високої вартості, тому команда зосередилася на створенні компактного, потужного, доступного та повністю вітчизняного пристрою», — пояснив Су Маоген, керівник проєкту в Північно-Західному педагогічному університеті.
Дослідники виокремили п’ять ключових удосконалень Qianjiyuan Tianshu порівняно із Zhulong-1:
- покращене узгодження радіоактивного джерела з перетворювачем;
- тривимірна багатошарова конструкція, що економить місце й підвищує інтеграцію компонентів;
- система керування мікропотужністю для автономної роботи без зовнішнього живлення;
- вбудовані датчики, що забезпечують самодіагностику пристрою;
- перетворювач із карбіду кремнію власного китайського виробництва, який підвищив загальну ефективність батареї.
Технічні характеристики та принцип роботи
Габарити нового пристрою — трохи більше одного кубічного дюйма (16,8 куб. см). Використовуючи 129 мілікюрі вуглецю-14, батарея генерує струм 0,713 мікроампера, напругу 2,06 В і максимальну вихідну потужність 1,13 мікровата. Незважаючи на те що фізичний об’єм зменшився лише на 17%, об’ємна щільність потужності зросла приблизно у 15 разів.
Принцип дії Qianjiyuan Tianshu принципово відрізняється від традиційних термоелектричних ядерних батарей, які перетворюють тепло розпаду на електрику і потребують для цього високих температур та громіздких конструкцій. У новій розробці бета-частинки — електрони, що виникають під час розпаду вуглецю-14, — безпосередньо потрапляють на напівпровідниковий перетворювач із карбіду кремнію, де й утворюється електричний струм. Розробники порівнюють цей механізм із роботою сонячної панелі: різниця лише в тому, що замість світла тут використовується радіація.
