Бриллианты вечны?
Снова об «алмазной батарейке»


Текст: Татьяна ДАНИЛОВА

Идея создания из радиоактивного материала практически неисчерпаемого источника энергии давно обсуждается и даже используется во множестве неалмазных технологий. «Алмазные батарейки», о которых столько пишут научно-популярные СМИ, — лишь теоретическое применение этой технологии, до сих пор не реализованное даже в эксперименте.

Фото: ПАО АЛРОСА, Michigan State University

В феврале 2017 года в разделе «Футуризм» органа Всемирного экономического форума появилось сообщение о лекции профессора инженерного факультета Бристольского университета Тома Скотта. В рамках ежегодной серии лекций «Идеи для изменения мира» в Университете Джона Кэбота Скотт говорил о возможности превращения определенной части ядерных отходов в радиоактивные алмазы, которые можно использовать в качестве источника энергии.

В этой лекции под названием «Бриллианты вечны» Скотт с оптимизмом говорил о перспективах решения сразу двух задач: создания долговечного источника энергии и накопления радиоактивного графита из демонтированных реакторов. При облучении часть 12С превращается в радиоактивный 14С. Решение, сказал он, может выглядеть как радиоактивный алмаз, полученный из 14С, извлеченного из графитовых отходов.

В Великобритании, сказал Скотт, за 60 лет накопилось много интересных отходов из газоохлаждаемых реакторов. Что получится, если вместо обычного углерода для производства искусственных алмазов использовать радиоактивный и осознанно сформировать первый в мире высокоактивный алмаз?

В природе формирование алмазов занимает сотни тысяч и даже миллионы лет. Это значит, что природные алмазы не содержат радиоактивного 14С, период полураспада которого чуть более 5000 лет.

Перспектива появления радиоактивных алмазов создает интересные возможности для выработки энергии. Ведь 14С испускает бета-излучение, то есть высокоэнергетические электроны. Бета-излучение полностью поглощается слоем любого вещества с поверхностной плотностью порядка 1 г/см² (например, листом алюминия толщиной в несколько миллиметров) и потому относительно безопасно в сравнении с другими формами радиоактивного излучения.

Основная форма бета-вольтаического источника энергии описана еще в 1973 году. Это бетавольтаический преобразователь — источник электрической энергии, которая вырабатывается за счет преобразования энергии радиоактивного распада. Он состоит из бета-излучающего материала, соединенного с прибором с p-n-переходом. Высокоэнергетические бета-частицы генерируют пáры электрон–дырка, и процесс получения энергии подобен процессу в солнечных батареях, только источник энергии здесь — не фотоны, а β-частицы.

Теоретически это явление можно использовать для поддержания потока электронов в течение всего периода распада радиоактивного 14С, то есть нескольких тысяч лет. В этом и состоит концепция «алмазной батарейки».

Однако отдельные компоненты концепции — синтетические алмазы и бетавольтаические ячейки — уже сегодня стали реальностью. Бетавольтаические ячейки, в которых применяются радиоактивные прометий и плутоний, до появления литий-ионных батарей были самым обычным источником энергии для кардиостимуляторов. Сегодня бетавольтаические системы применяют там, где необходима постоянная подача энергии с низким энергопотреблением. Это, например, разного рода датчики и биомедицинские импланты. Военные разведки тоже заинтересованы в таких устройствах.

Порой требования к такой системе предусматривают работу в суровых условиях. В таких случаях бетавольтаические источники питания особенно перспективны, поскольку они хорошо зарекомендовали себя в экстремальных условиях.
Оборудование для получения алмазов методом CVD в Центре покрытий и лазерных применений им. Й. Фраунгофера при Университете штата Мичиган, США
Синтетическими алмазами сегодня тоже никого не удивишь. Их получают (растят) методом химического осаждения из парогазовой среды (CVD-метод). Этот процесс идет при высоких температурах, но (в отличие от природного процесса) при низком давлении. Метод ращения алмазов химическим осаждением из парогазовой среды развивался и совершенствовался более 30 лет, особенно в последние годы, и сегодня это хорошо отработанная, стабильно применяемая технология.

CVD-методом выращивают, например, алмазные пленки диаметром от 1 мм до 50 см и толщиной от долей мкм до 3 мм и более. Микроструктурой алмазных пленок и размером кристаллитов в диапазоне от микро- до нанометров можно управлять путем изменения условий химического осаждения и таким образом получать различные материалы, от нанокристаллических пленок до поликристаллических пластин и крупных монокристаллов.

Преимущество использования алмаза (который по определению состоит из атомов углерода) для создания бетавольтаической ячейки, во‑первых, в том, что это самый твердый на планете материал, не подверженный коррозии и износу. Во-вторых, алмаз — сверхпроводящий материал. И в‑третьих, как утверждает Скотт, процесс алмазообразования позволяет упаковать радиоактивный 14С в тонкий слой обычного алмаза из 12С, ограничив таким образом его излучение: нормальный алмаз не только экранирует излучение, но и повышает эффективность выработки энергии. Если такой «сэндвич» из обычного и радиоактивного алмазов подключить к электродам, мы получим искомое устройство.

Но все это пока теория. Скотт действительно разработал прототип такой батареи, но в качестве источника излучения в ней использован 63Ni, а не алмаз из графитовых отходов. По словам Скотта, он вместе с командой создал прототип в качестве источника бета-излучения из трития и синтетического алмаза из 14C. В США и Великобритании поданы патентные заявки на эти устройства, и, видимо, вскоре можно ждать обильных публикаций по теме.

Правда, стоит отметить: хотя общая продолжительность жизни теоретической батарейки значительно превысит продолжительность существования сельского хозяйства на нашей планете, область применения такого устройства будет весьма ограниченной. Ведь 1 г 14C будет вырабатывать 14 Дж энергии в сутки, то есть меньше, чем обычная батарейка АА.

Батарейка АА весом 20 г хранит 700 Дж энергии, но, работая постоянно, истощается за 24 часа. Алмазная же батарейка будет работать тысячелетия, однако вряд ли она будет запитывать подключенные устройства напрямую. Скорее всего, ее соединят с конденсатором, который будет заряжаться от батареи, а затем разряжаться, непрерывно либо с установленными интервалами, питая подключенное устройство.

Так что с точки зрения науки предложенная Скоттом технология вполне реальна и основана на десятилетиях исследований бетавольтаических систем и производства синтетических алмазов. Но поскольку в реальности такого устройства пока не существует, а его возможное применение ограничено, сегодня все сообщения на эту тему следует воспринимать с долей скепсиса.

ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА