В последние годы технологии питания микроустройств стремительно развиваются, и одной из наиболее впечатляющих новинок является новая батарея, способная функционировать десятки лет без подзарядки. Это значительный прорыв в области энергообеспечения, развиваемый исследовательской группой из Южной Кореи в Институте науки и технологий дэгу Кёнбук (DGIST) под руководством профессора Су-Иль Ина. Созданный ими перовскитовый бетавольтаический элемент (ПБЭ) использует радиоактивный изотоп углерода-14, который делает возможным длительную и стабильную работу малогабаритных устройств без перебоев в электроснабжении. В отличие от традиционных аккумуляторов, перовскитовый БЭ работает на принципе преобразования бета-частиц, испускаемых при радиоактивном распаде, в электрическую энергию. Основное преимущество такого подхода состоит в том, что бета-излучение не представляет угрозы для здоровья человека, поскольку эти частицы не способны проникать через кожу и легко блокируются алюминиевыми и другими защитными материалами.
Каждая такая батарея функционирует автономно, обеспечивая электрический ток при минимальных потерях и при этом не требует регулярного обслуживания или замены. Углерод-14, как радиоактивный элемент с чрезвычайно долгим периодом полураспада, позволяет батарее обеспечивать энергию в течение сотен и даже тысяч лет. При этом этот изотоп обладает преимуществом устойчивого и безопасного использования, так как он выделяет только бета-лучи, не создавая опасного гамма-излучения. Исследователи использовали особую конструкцию электродов, объединяя частицы углерода-14 с квантовыми точками и перовскитовой плёнкой. Последняя была обработана двумя хлорсодержащими добавками — метиламмоний хлоридом и цезий хлоридом, что значительно повысило стабильность кристаллической структуры и улучшило электрическую проводимость материала.
Эти инновационные шаги привели к впечатляющему увеличению подвижности электронов в 56 тысяч раз по сравнению с предыдущими моделями и позволили батарее работать непрерывно в течение девяти часов лишь на тестовом этапе. Для повышения эффективности преобразования энергии в их конструкции также применили полупроводник диоксида титана, известный по солнечным батареям, и добавили рутениевый краситель, улучшенный с помощью лимонной кислоты. Полученная связь создает эффект так называемой электронной лавины, когда бета-излучение стимулирует каскад электронных реакций, которые собираются и направляются через цепь на выработку электрического тока. Ключевым инженерным решением стало применение радиоуглерода одновременно на аноде и катоде, что позволило увеличить интенсивность бета-излучения и минимизировать потери энергии из-за расстояния между электродами. В итоге удалось повысить коэффициент преобразования, который показывает, насколько эффективно излучение превращается в энергию, с 0,48% раньше до 2,86% в новых моделях.
Несмотря на то, что этот показатель пока уступает по мощности стандартным литий-ионным аккумуляторам, учёные видят большой потенциал для оптимизации батареи. Они намерены улучшить форму излучателей и искать лучшие материалы для поглощения энергии, что позволит увеличить выход тока и расширить возможность применения устройства. Одним из самых перспективных направлений внедрения таких батарей называют живущие в течение десятилетий импланты, например кардиостимуляторы, а также беспилотные летательные аппараты и космические зонды, работающие в экстремальных условиях со стабильным и долговечным питанием. Малые размеры и безопасность при эксплуатации делают их особенно привлекательными для устройств с небольшими габаритами, требующих долгой автономной работы без возможностей регулярного обслуживания. Использование изотопов углерода-14, побочного продукта ядерных реакторов, также обеспечивает доступность и экологическую устойчивость производства — материал можно легко перерабатывать и повторно использовать, что уменьшает затраты и способствует безотходным технологиям.
Пионерский проект DGIST открывает новую эру разработок в области альтернативных источников питания, предлагая технологию, способную радикально изменить понимание автономности и надежности аккумуляторов в будущем. В перспективе, после масштабирования и коммерциализации, эти перовскитовые бетавольтаические батареи могут стать стандартом для устройств, используемых в медицине, аэрокосмической индустрии, интернета вещей и других высокотехнологичных сферах. Такой прорыв в технологиях также способствует решению глобальных проблем энергетической безопасности, снижая зависимость от традиционных литий-ионных батарей и топливных элементов с ограниченным ресурсом. Сегодня многие специалисты отмечают важность этого открытия, сравнивая его с изобретением солнечных панелей и других устойчивых источников энергии. Работа корейской команды доказывает, что даже в столь сложной и деликатной области, как ядерные источники энергии, возможно создать безопасные и экологичные решения для повседневной жизни.
Следующие этапы исследований будут направлены на повышение мощности, уменьшение размеров и интеграцию новых материалов, что позволит сделать технологии перовскитовых бетавольтаических клеток ещё более практичными и доступными. Так, уже сегодня воздушные дроны смогут летать значительно дольше без подзарядки, кардиостимуляторы перестанут требовать замены батарей, а космические миссии — научно-исследовательские аппараты и зонды — зальются новыми возможностями пребывания в автономном режиме на годы и даже десятилетия. История знает множество примеров, когда масштабные открытия в области энергетики становились катализаторами социальных и технологических перемен. Новое поколение батарей с использованием радиоуглерода и перовскитов — вполне способно войти в этот ряд. Усовершенствование и дальнейшее внедрение такого решения поможет человечеству значительно повысить качество и комфорт жизни, расширив горизонты доступной энергии и оставив позади необходимость постоянной подзарядки и замены аккумуляторов.
Технический прогресс не стоит на месте, и этот революционный шаг в сфере источников энергии — лишь начало больших изменений в будущем, когда автономное энергоснабжение станет нормой для новых поколений гаджетов, медицинских приборов и промышленного оборудования.
