Научный прогресс постоянно движется вперёд. Умы учёных из разных уголков планеты стремятся обнаружить новаторские подходы к улучшению жизни будущих поколений. Одним из важных направлений их исследований является поиск более эффективных, доступных и, при этом, безопасных источников энергии. Впечатляющий шаг вперёд был сделан калифорнийскими учёными, которые представили концепцию нанобатареи, способной прослужить целых 28 тысяч лет.
Инновационная технология, представленная стартапом Nano Diamond Battery (NDB) из Сан-Франциско, обещает потенциальную революцию.
Они гордятся своей «мощной альфа-, бета- и нейтронной гальванической батареей на основе алмазов», подчеркивая ее способность придавать "жизнь" устройствам и обеспечивать долгосрочную и экологически чистую энергию. Представьте себе: единственная батарейка способна обеспечивать энергией вашу инсулиновую помпу или кардиостимулятор на протяжении всей вашей жизни, с избытком времени.
Также она могла бы поддерживать работу космического марсохода, собирающего образцы марсианского реголита в течение десятилетий, без необходимости человеческого вмешательства.
Для разработки своей уникальной наноалмазной батареи, компания NDB использует слои невероятно мелких наноалмазов с панелями (для наглядности, один нанометр равен одной миллиардной части метра). Эти алмазы обладают уникальной теплопроводностью, что делает их идеальными для применения в электронных устройствах.
Согласно публикации Инженерного колледжа Хьюстонского университета, они являются самым эффективным естественным проводником тепла, превосходя медь и серебро в три-четыре раза.
Ученые достигают роста этих крайне мелких алмазов с использованием химического осаждения из паровой фазы. Этот процесс включает в себя высокотемпературное воздействие газов, которое заставляет углерод кристаллизоваться на материале подложки. Однако, как признают в NDB, этот метод связан с определенными затратами, так как производство специальных алмазов требует значительного энергопотребления и финансовых затрат.
Юрий Гогоци, директор Института наноматериалов имени А. Дж. Дрекселя в Университете Дрекселя в Филадельфии, объясняет, что в итоге получаются "искусственно легированные бором алмазы". В результате этого процесса образуются алмазы голубого цвета с более высокой проводимостью по сравнению с обычными алмазами. Эти "голубые" алмазы, несмотря на свое искусственное происхождение, обладают более высокой проводимостью и могут быть получены с меньшими затратами по сравнению с редкими естественными голубыми бриллиантами.
Алмазы, используемые в составе батареи NDB, обладают прекрасным голубым оттенком, который обусловлен наличием небольших количеств бора в их углеродной структуре. Эти искусственные голубые бриллианты придают уникальный внешний вид и напоминают естественные голубые бриллианты, считающиеся одними из самых редких и ценных драгоценных камней на планете.
Согласно исследованиям, опубликованным в журнале Nature в августе 2018 года, естественные голубые бриллианты формируются в нижней мантии Земли на глубине от 660 до 2703 км.
Это свойство придает голубым бриллиантам особую ценность, поскольку они встречаются только в трех рудниках по всему миру. Этот факт является частичным объяснением высокой стоимости естественных голубых бриллиантов, которая составляет примерно 15 700 долларов за светло-голубой бриллиант весом 0,3 карата и 75 000 долларов за темно-синий бриллиант весом 0,25 карата.
После получения наноалмазов, NDB соединяет их с радиоактивными изотопами, извлеченными из ядерных отходов. Особенно важно отметить, что компания использует радиоактивные изотопы урана и плутония, которые, вероятно, происходят из отработанных материалов ядерных электростанций, как указывает Гогоци.
Монокристаллические алмазы, размером всего в несколько квадратных миллиметров, эффективно отводят тепло от распадающихся радиоактивных изотопов.
Этот процесс осуществляется настолько быстро, что тепловая энергия, выделяющаяся в результате радиоактивного распада, фактически преобразуется в электричество. Нима Голшарифи, генеральный директор NDB, поясняет: «Источники распада передают свою энергию на преобразователь NDB, который превращает кинетическую энергию падающего излучения в электрическую энергию».
Вероятно, вы задаете себе вопрос, в чем подвох. Мы говорим о батарее, которая использует ядерные отходы, обеспечивает тысячи лет эффективной работы и состоит из мельчайших слоев алмазов? Однако, как часто бывает в науке и технологиях, реальность оказывается более сложной.
Эта инновационная технология действительно предоставляет энергию, но в небольших количествах каждая отдельная ячейка. Это подразумевает, что ученые вынуждены комбинировать огромное количество ячеек, чтобы обеспечивать постоянное питание крупных устройств. Это увеличивает стоимость и сложность процесса, делая его менее прямолинейным, чем может показаться на первый взгляд.
Нима Голшарифи приводит масштабируемость крошечных ячеек Nano Diamond Battery в качестве ключевого преимущества. "Возьмем, к примеру, батарею для наручных часов, которая потребляет около двух микроватт. Поэтому для удовлетворения потребностей такого устройства будет достаточно гораздо меньшей ячейки NDB", — объясняет он. "Следовательно, если требуется обеспечить питание для другого устройства, мы можем просто увеличить количество сложенных ячеек, чтобы соответствовать спросу".
Проблема износа остается актуальной: внедрение ядерных отходов в структуру алмазных ячеек создает естественные структурные слабости. С течением времени статистически возможно, что некоторые ячейки подвергнутся износу, что, как отмечает Гогоци, может привести к выходу из строя некоторых элементов вместе с устройствами, которые они питают. В будущем, при широком распространении наноалмазных батарей, возможны ситуации, когда части устройств столкнутся с проблемами износа или отказа.
Продолжительность работы ядерной алмазной батареи зависит от нескольких факторов, включая тип использованных радиоактивных изотопов, количество имплантированных ячеек и степень износа структуры.
В настоящее время ученые сталкиваются с техническими сложностями, такими как естественная структурная слабость алмазов, что может влиять на долговечность батареи.
Тем не менее, если проблемы будут решены, то ядерная алмазная батарея может предоставить долгосрочное энергоснабжение для устройств, которые требуют стабильной работы на протяжении долгого времени. Примерами таких устройств могут быть слуховые аппараты или кардиостимуляторы. Нима Гольшарифи подчеркивает, что такие батареи могут быть особенно полезными для детей, которым имплантированы слуховые аппараты, или для пожилых людей с кардиостимуляторами, у которых нет необходимости проходить травмирующую операцию более одного раза.
NDB утверждает, что их ядерные алмазные батареи могут быть весьма полезными в космических миссиях, где требуется долговременная автономная работа. Одним из примеров являются спутники. Утверждение NDB о продолжительности службы батареи в 28 000 лет частично основано на потребностях таких низкомощных космических приложений.
В качестве иллюстрации, культовый космический зонд NASA, "Вояджер", предназначенный для изучения внешней части Солнечной системы и запущенный в сентябре 1977 года, использовал три "многосотваттных радиоизотопных термоэлектрических генератора" (MHW-RTG) для питания. Выходная мощность каждого генератора составляла всего 158 Вт, что даже меньше, чем требуется для обеспечения энергии обычного домашнего светильника в течение года.
Если объединить достаточное количество этих алмазных аккумуляторных элементов, они смогут обеспечивать энергией не только космические аппараты, но и электронику на Земле с более высокими энергозатратами. От светодиодных дисплеев на планшетах до мобильных телефонов, эти инновационные батареи от NDB обещают стать эффективным и долгосрочным источником энергии.
Первым коммерческим продуктом, который NDB планирует представить, будут умные часы. Планы предполагают выпуск данного продукта в 2025 году. Если эти ожидания сбудутся, вы сможете владеть часами, оснащенными одной батареей, и передавать их из поколения в поколение, не беспокоясь о замене. Возможность создать семейную реликвию, которая будет служить многие годы, делает этот продукт не только уникальным с точки зрения технологий, но и значимым с эмоциональной точки зрения.
