Ядрени батерии

Още през 50 -те години на миналия век бетаволтика — технология за извличане на енергията на бета радиация — беше смятана от учените за основа за създаване на нови източници на енергия в бъдеще. Днес има реални основания да се твърди уверено, че използването на контролирани ядрени реакции по своята същност е безопасно. Десетки ядрени технологии вече се използват от хората в ежедневието, като радиоизотопни детектори за дим.

И така, през март 2014 г. учените Jae Kwon и Bek Kim от Университета на Мисури, Колумбия, САЩ възпроизведоха първия в света работещ прототип на компактен източник на енергия, базиран на стронций-90 и вода. В този случай ролята на водата е енергиен буфер, което ще бъде обяснено по -долу.

Ядрената батерия ще работи години наред без поддръжка и ще може да произвежда електрически ток поради разлагането на водните молекули, когато те взаимодействат с бета частици и други продукти на разпадане на радиоактивен стронций-90.

Силата на такава батерия трябва да бъде напълно достатъчна за захранване на електрически превозни средства и дори космически кораби. Тайната на новия продукт е в комбинацията от бетаволтаици и доста нова физическа тенденция — плазмонови резонатори.

Плазмоните се използват активно през последните няколко години при разработването на специфични оптични устройства, включително ултраефективни слънчеви клетки, напълно плоски лещи и специално мастило за печат с разделителна способност многократно по-висока от чувствителността на очите ни. Плазмоничните резонатори са специални структури, способни както да абсорбират, така и да излъчват енергия под формата на светлинни вълни и под формата на други форми на електромагнитно излъчване.

Днес вече има радиоизотопни източници на енергия, които превръщат енергията на разпадане на атомите в електрическа, но това не се случва директно, а чрез верига от междинни физически взаимодействия.

Първо, таблетките с радиоактивни вещества загряват тялото на контейнера, в който се намират, след това тази топлина се превръща в електричество посредством термодвойки.

На всеки етап от преобразуването се губи огромно количество енергия; от това ефективността на такива радиоизотопни батерии не надвишава 7%. Betavoltica отдавна не се използва на практика поради много бързото унищожаване на частите на батерията от радиация.

В крайна сметка учените са намерили начин директно да трансформират освободената енергия заедно с продуктите на разпадане на нестабилните атоми. Оказа се, че бета частиците (електрони, чиято скорост е достатъчно висока по време на разпадането на атом) са способни да разграждат молекулите на водата до водород, хидроксилен радикал и други йони.

Изследванията показват, че тези разложени части от водни молекули могат да се използват за директно извличане на абсорбираната от тях енергия в резултат на сблъсъци с бета частици.

За да може водната ядрена батерия да работи, е необходима специална структура от стотици микроскопични колони от титанов оксид, покрити с платинов филм, подобна по форма на гребен. В неговите зъби и на повърхността на платинената обвивка има много микро пори, през които посочените продукти от разлагането на водата могат да проникнат в устройството. Така че в процеса на работа на батерията в «гребена» протичат редица химични реакции — настъпва разлагането и образуването на водни молекули, докато свободните електрони възникват и се улавят.

Енергията, отделена по време на всички тези реакции, се абсорбира от „иглите“ и се превръща в електричество. Поради появяващите се на повърхността на стълбовете плазмони, притежаващи специални физични свойства, такава водно-ядрена батерия достига максималната си ефективност, която може да бъде 54%, а това е почти десет пъти по-високо от класическите радиоизотопни източници на ток.

Йонният разтвор, използван тук, е много труден за замразяване дори при достатъчно ниски температури на околната среда, което прави възможно използването на батерии, направени по новата технология, за захранване на електрически превозни средства, и ако са правилно опаковани, също и в космически кораби за различни цели.

Периодът на полуразпад на радиоактивен стронций-90 е приблизително 28 години, така че ядрената батерия на Куон и Ким може да работи без значителна загуба на енергия в продължение на няколко десетилетия, с намаляване на мощността само с 2% годишно. Учените казват, че такива параметри отварят ясна перспектива за повсеместното разпространение на електрически превозни средства.