Изотопи в кристалната решетка: как ядрените отпадъци превръщат диаманта в източник на енергия за хиляди години
Съвременната самостоятелна електроника към момента зависи от химическите акумулатори, които имат стеснен живот от порядъка на няколко години, а от време на време и месеци. Дори при липса на натоварване тези акумулатори се разграждат и изискват замяна и поддръжка. На този декор бета-волтовите източници на сила – устройствата, които преобразуват силата на радиоактивния разпад непосредствено в електрически ток – съставляват все по-голям интерес.
Една от най-необичайните и обещаващи трендове в тази област е създаването на източници на сила, основани на неестествен елмаз с вградени радиоактивни изотопи.
Слабата радиолуминесценция на синтетичен диамантен въглероден филм, състоящ се от атоми въглерод-14, излъчващи бета-частици. Изображението е получено благодарение на камера с висока светлочувствителност. Енергия на раздробяване непосредствено в кристала
Класическите радиоизотопни зареждания са модулни: има радиоактивен материал, който излъчва радиация или топлота, и обособен преобразувател, който трансформира тази сила в електричество. Този метод изисква екраниране и междинни детайли, което води до загуби и усложнява структурата.
Изследователски екип от Бристолския университет и Управлението за атомна сила на Обединеното кралство (UKAEA) е основал първата в света батерия, основана на радиоактивен въглерод-14 (¹⁴C), вграден в диамантена конструкция.
Въглерод-14 е прочут от методите за радиовъглеродно датиране. Той се разпада по механизма на бета-разпада, като излъчва бърз електрон (бета-частица). Периодът на полуразпад на този изотоп е към 5730 години, което го прави постоянен източник на сила за доста дълъг интервал от време.
Екипът на плана „ Диамантена батерия “, в това число Нийл Фокс (крайният вляво), професор по материали за енергетиката в Бристолския университет, в оборудването за плазмено отсрочване в UKAEA. Как се създава „ енергиният “ елмаз
Изходният материал е въглерод-14, извлечен от графитните боклуци, които се образуват в нуклеарните реактори. Този изотоп се трансформира в газообразно положение и се употребява за растежа на диаманта по метода CVD (химическо отсрочване на пари).
По време на растежа на кристала атомите на въглерод-14 заемат възлите на диамантената кристална решетка дружно с елементарните въглеродни атоми, образувайки материал, в който източникът на сила и полупроводниковата конструкция са съчетани на атомно равнище.
Образец на диамантен монокристален диск, получен посредством химическо пароотлагане. Диаметърът на диска е към 9 cm, дебелината му е към 1,5 mm, масата му е 155 карата (31 грама). Принципът на деяние: бета-волтаичния резултат
В основата му е процесът на бета-разпад: в ядрото на въглерод-14 неутрон се трансформира в протон, което е съпроводено с освобождение на електрон. Този електрон има забележителна кинетична сила и стартира да се движи с висока скорост през диамантената кристална решетка.
Движейки се през кристала, високоенергийният електрон се сблъсква с другите въглеродни атоми и избива от тях обвързваните електрони. В местата на конфликта пораждат двойки носители на заряд: свободен електрон и „ дупка “ – празно пространство в атомната връзка, което има позитивен заряд. Една-единствена парченце, основана по време на разпадането, може да генерира до хиляда такива двойки електрон-дупка.
За да се оползотвори тази сила, в диаманта се основава p-n преход – област на контакт сред пластове с разнообразни типове проводимост. Този преход образува вътрешно електрическо поле, което разделя двойките: то насочва свободните електрони към единия контакт, а „ дупките “ – към другия. По този метод безредното придвижване на частиците се трансформира в спретнат поток, формиращ постоянен електрически ток.
По принцип на деяние той е сходен на работата на слънчевия панел: във фотоволтаичната клетка електроните се избиват от външните фотони, до момента в който в диамантената батерия източникът на сила са вътрешните бета-частици. Този метод разрешава директното превръщане на силата от разпадането на въглерод-14 в електрически ток без движещи се елементи или външна светлина.
Схема на директното превръщане на силата. Принципът на деяние на диамантената батерия е еднакъв с този на слънчевата клетка, само че двойките електрон-дупка тук се основават не от външни фотони светлина, а от вътрешното бета-лъчение (електронният поток от разпадането на въглерод-14). Директното влияние на частиците върху p-n прехода дава опция за превръщане на нуклеарната сила в електрическа без междинни среди. Защо е определен точно диамантът
Изборът на елмаз за основа на такава батерия се дължи на няколко свойства. Диамантът е полупроводник с необятна неразрешена зона, което понижава токовете на утечка и усилва стабилността на устройството. Той има висока радиационна резистентност, понася добре бързите електрони, а високата му топлопроводимост и механична здравина са значими за продължителна работа в нападателна среда.
Мощност и действителни благоприятни условия
Основното ограничаване на технологията е нейната ниска изходна мощ. Тези акумулатори създават сила в микроватния диапазон, което ги прави несъответствуващи за зареждане на смарт телефони, преносими компютри или друга всеобщо създавана електроника.
Но мощната страна на тази технология е нейната продължителност: заради дългия интервал на полуразпад на въглерод-14, изходната мощ понижава доста постепенно, което обезпечава постоянна работа в продължение на хиляди години без презареждане или поддръжка.
Потенциални приложения
Основната ниша за диамантените акумулатори са устройствата, при които поддръжката или подмяната на източника на сила е физически невъзможна или стопански неоправдана. Основните области включват:
Автономните системи за наблюдаване: датчици за положението на мостове, язовири и отдалечена инфраструктура, работещи в продължение на десетилетия без човешка интервенция. Дълбоководните информационни центрове: зареждане на телекомуникационно съоръжение на океанското дъно, където разноските за всяка техническа интервенция са големи. Космосът: зареждане на дребни спътници и научни принадлежности в области, където слънчевите панели са неефективни (например в дълбокия космос или в сянката на планетите). Микроелектрониката: Захранване на механизмите на ръчните часовници и други устройства с ниска консумация на сила, което ще разреши да се не помни за подмяната на батериите за генерации напред. Медицинските импланти: основаване на пейсмейкъри и невростимулатори от последващо потомство.Безопасност и обслужване
Бета-частиците, предавани от въглерод-14, имат ниска проникваща мощ и се всмукват дейно от самия елмаз, което доста понижава радиационните опасности по време на работа. Въпреки това производството и утилизацията на сходни акумулатори изискват съблюдаване на общоприетите условия за радиационна сигурност.
Заключение
Диамантените бета-волтаични източници на сила не могат да заменят стандартните акумулатори при ежедневна приложимост, само че те образуват нов клас нелетливи устройства – с живот от хиляди години и постоянна микроватна мощ. Тази технология показва по какъв начин нуклеарните боклуци могат да бъдат основа за инженерни решения, които се концентрират върху издръжливостта, надеждността и работата в рискови условия.
(function() { const banners = [ // --- БАНЕР 1 (Facebook Messenger) --- `