Ученые разработали инновационную светящаяся в темноте батарейку на ядерных отходах, которая преобразует энергию радиоактивных отходов в электричество, превращая опасный побочный продукт атомной энергетики в потенциальный источник энергии для специализированных применений.

По данным Всемирной ядерной ассоциации, атомные электростанции вырабатывают 18% электроэнергии в США. Хотя этот источник энергии не производит выбросов углерода, он генерирует радиоактивные отходы, которые могут быть опасны для окружающей среды и остаются активными в течение тысяч лет.

Стремясь переработать эти отходы, исследовательская группа из Университета штата Огайо использовала высокоплотные материалы, излучающие свет при поглощении радиации, — кристаллы-сцинтилляторы — в сочетании с солнечными батареями для преобразования гамма-излучения в электричество.

«Ядерные отходы испускают мощное гамма-излучение — высокоэнергетическую форму, способную проникать через большинство материалов, — говорит Раймонд Цао, ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Optical Materials: X и профессор механической и аэрокосмической инженерии в штате Огайо, сообщил Live Science по электронной почте. «В нашем устройстве используется сцинтиллятор — специализированный материал, который поглощает эти гамма-лучи и преобразует их энергию в видимый свет — подобно тому, как работают светящиеся в темноте объекты, но под действием радиации, а не солнечного света. Затем этот свет улавливается солнечным элементом, подобным тем, что используются в солнечных батареях, который преобразует его в электрическую энергию».

Прототип батареи размером всего 4 кубических сантиметра — примерно с чайную ложку сахара — был протестирован в лаборатории ядерного реактора Университета штата Огайо с использованием двух радиоактивных источников: цезия-137 и кобальта-60. Батарея вырабатывала 288 нановатт энергии при использовании цезия-137 и 1 500 нановатт при использовании более радиоактивного изотопа кобальт-60 — достаточно для работы микроэлектронных систем, таких как микрочипы или аварийное оборудование.

Хотя эта мощность намного ниже киловатт, необходимых для питания чайника, исследователи считают, что эту технологию можно масштабировать для применения на уровне ватт или выше при наличии подходящего источника энергии.

Тем не менее, новая технология не будет использоваться в домах — для работы системы требуется высокий уровень радиации окружающей среды, поэтому она должна находиться в местах утилизации отходов. Например, исследователи предполагают использовать батарею в ядерных системах для освоения космоса и морских глубин, где экстремальные уровни радиации делают обычные источники энергии непрактичными.

«Мы не производим и не носим с собой источник радиации; вместо этого устройство предназначено для мест, где уже присутствует интенсивное гамма-излучение», — говорит Цао. «Прелесть этого подхода в том, что экранирующие материалы можно заменить сцинтиллятором, а светящийся свет, который он производит, можно собирать и преобразовывать в электричество».

Однако перед тем, как приступить к реализации этого проекта, необходимо преодолеть несколько препятствий. По словам Цао, высокий уровень радиации постепенно повреждает как сцинтиллятор, так и солнечный элемент. «Необходима дальнейшая разработка более прочных, устойчивых к радиации материалов, чтобы обеспечить долговечность системы», — сказал он.

Если эта проблема будет решена, то такие долговечные батареи можно будет использовать в труднодоступных районах с высоким уровнем радиации, при этом они практически не требуют обслуживания, что делает их привлекательным решением в области энергетики.

«Концепция ядерных батарей очень перспективна», — сказал в своем заявлении соавтор работы Ибрагим Оксуз. «Еще есть много возможностей для совершенствования, но я верю, что в будущем этот подход займет важное место как в производстве энергии, так и в индустрии датчиков».

Перспективы коммерциализации разработки весьма обнадеживают. Ученые рассматривают возможность партнерства с компаниями, специализирующимися на космических технологиях и подводном оборудовании, для тестирования и адаптации батареи к конкретным условиям эксплуатации. Разработка более эффективных и устойчивых к радиации материалов для сцинтилляторов и солнечных элементов является ключевым направлением дальнейших исследований.

Помимо энергетической функции, батарея может найти применение в радиационном мониторинге. Интегрированные датчики смогут регистрировать уровень радиации и передавать данные, что особенно важно в зонах экологических катастроф и на предприятиях атомной промышленности.

В будущем, по мере развития технологий, возможно создание более компактных и мощных батарей, способных обеспечивать энергией небольшие устройства, имплантируемые в организм человека, например, кардиостимуляторы, работающие без замены батареи в течение десятилетий.

Разработка ученых из Университета штата Огайо представляет собой значительный шаг на пути к утилизации радиоактивных отходов и созданию автономных источников энергии для специализированных применений, открывая новые горизонты в энергетике и радиоэкологии.