Атомные батарейки: где уже применяются и почему не заменят аккумуляторы

Новости об атомных батарейках всегда вызывают волну интереса, но за эффектными заголовками скрываются сложные технические нюансы. Я наблюдаю за этим процессом с особым вниманием — как аспирант химического факультета Нижегородского государственного университета (ННГУ) и автор диссертации про соединение Ni (PF₃)₄. Из него получают топливо для атомных батареек — никель-63. Что же представляют собой сегодня эти высокотехнологичные источники энергии?

В основе таких батарей радиоактивный изотоп, который выделяет энергию в процессе распада. Основных конструкций всего две: с использованием альфа-распада или бета-вольтаического эффекта. Конкретное решение выбирают с учетом будущего применения устройства, так как у каждого есть свои плюсы и минусы.

Альфа-источники на основе, например, плутония или тория дают много тепла и энергии, но разрушают составные части самого устройства. Из-за этого реальный срок службы батареи оказывается меньше, чем период полураспада радиоактивного изотопа. Такие мощные, но агрессивные для окружающей среды батареи используют в основном в космических аппаратах.

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) — наиболее распространенный тип устройств, работающих на энергии альфа-распада. По сравнению с ядерным реактором, который использует цепную реакцию, РИТЭГ значительно меньше и проще по конструкции. По сути, это «термос» с радиоактивным изотопом внутри. При распаде изотоп выделяет огромное количество тепла, и блок, в котором он находится, буквально раскаляется докрасна.

Но как тепловая энергия превращается в электрическую? Для этого вокруг блока установлены термопары, и один их конец прижат к горячей зоне, а другой — к холодному внешнему корпусу. Из-за разницы температур электроны в термопарах устремляются от горячего края к холодному, образуя электрический ток.

В бета-вольтаических элементах энергия бета-частиц преобразуется в электричество напрямую, что безопаснее для материалов. Однако мощность таких батареек низкая, потому что изотопы в их основе распадаются медленно.

Отсюда и основная задача бета-вольтаических батарей — длительная работа при микротоках. Технология позволяет изготавливать миниатюрные батареи для установки в небольших электроприборах: датчиках, зондах, медицинских имплантах.

Бета-вольтаическая батарейка выглядит как плоский слоеный пирог.

• Нижний слой — это полупроводник с преобразователем. Как правило, из кремния. Это «сердце» батарейки, которое умеет разделять электрические заряды.
• Верхний слой — тонкая «начинка» из радиоактивного изотопа. Этот материал постоянно «стреляет» электронами в разные стороны.

Процесс преобразования энергии атома в электрическую происходит в три этапа:

• изотоп испускает электрон;
  
• он попадает в полупроводник и выбивает из него новые электроны;
  
• преобразователь направляет эти заряды в одну сторону.

В итоге на разных сторонах слоя возникает разность зарядов — «плюс» и «минус». Если подключить цепь, появляется электрический ток.

Разработкой атомных батареек занимаются главным образом государства с развитой оборонной и атомной промышленностью. Это связано с высокой стоимостью исследований и производства, а также требованиями к безопасности при обращении с радиоактивными материалами. Одна из стран, задающих темп исследований в этом направлении, — Соединенные Штаты.

Американские технологии в области атомных батареек развиваются сразу в нескольких направлениях: государственные проекты рассчитаны на надежные источники энергии для дальних миссий, а частные компании ищут применение в микроэлектронике, безопасности и автономных датчиках.

При этом рынок остается узким: высокая стоимость изотопов, жесткое регулирование и низкая мощность таких устройств ограничивают их применение специализированными задачами.

Американские ученые предприняли много попыток «подружить» атомные батареи и космическую технику, и некоторые оказались очень успешны. Так, марсоходы Curiosity и Perseverance, которые запускали в 2011 и 2020 годах, оснастили атомными батареями на основе плутония-238 с расчетным сроком службы 14 лет.

Ниже разберу подходы двух самых заметных американских компаний в области создания атомных батареек.

City Labs

Самой успешной в промышленном сегменте мировой компанией, которая производит атомные батарейки, считается City Labs. В год она выпускает около полутора тысяч сертифицированных атомных батареек для коммерческого использования, и их можно купить под заказ.

City Labs сделала ставку на тритий — радиоактивный изотоп водорода. В 2011 году компания вывела на рынок батарейки NanoTritium со сроком службы 20 лет. Самая мощная батарейка в предложении City Labs — P100 с начальной мощностью 75 нановатт.

С 2008 года компания сама использует P100 NanoTritium для питания устройств в своих лабораториях.

Nano Diamond Battery

Стартап из Сан-Франциско Nano Diamond Battery выпустил в производство атомную батарейку на основе радиоизотопа углерод-14. Это радиоактивный продукт облучения графита, который накапливается в результате работы атомных станций. Nano Diamond Battery предлагает бета-гальванические батареи в разных формах, включая привычные АА и AAА.

Цена на американском рынке составляет около $ 1000, а мощность — 100 нановатт. Это примерно в сто миллионов раз меньше, чем нужно для работы ноутбука.

В Китае в качестве основного рабочего радиоизотопа используют никель-63, а в качестве преобразователя энергии — слои алмаза. Так, пекинская компания Betavolt New Energy Technology в 2024 году заявила о разработке первой коммерческой ядерной батарейки — BV100.

Она работает в диапазоне температур от −60 °С до +120 °С и складывается из отдельных модулей. В базовой комплектации устройство состоит из одного слоя никеля-63 и имеет размер 3x3x0,03 мм. Чтобы получить мощность 100 микроватт, придется собрать батарейку из нескольких модулей.

Исследователи из Южной Кореи развивают два направления исследований: с радиоактивными начинками из никеля-63 и углерода-14.

Так, корейский институт атомной энергии в 2017 году презентовал прототип атомной батареи с использованием никеля-63, в качестве полупроводниковых слоев использовали карбид кремния. Проект обещали доработать, увеличив мощность, однако новой информации о батарейках в инфополе не появляется.

В СССР еще в 50-х годах начались исследования в области атомных батареек. Советские ученые тогда сфокусировались на изучении возможностей плутония и применения мирного атома.

Однако батареи на основе этого радиоизотопа не выдержали экономической конкуренции с усовершенствованными литиевыми: образцы получались слишком большими, а срок службы не позволял окупить затраты на добычу и подготовку изотопа. Тогда ученые обратили внимание на изотопы с бета-вольтаическим эффектом.

Сейчас самым перспективным материалом в России считается никель-63. Первые опытные образцы российских батареек с этим изотопом появились в 2016 году как совместный проект МФТИ, «Курчатовского института» и МИСиС. В батарейке чередуется 200 слоев никеля-63 с таким же количеством алмазных преобразователей. Мощность батареи составляет около 1 мкВт. Запитать этой батарейкой можно, например, датчик температуры, функционирующий в режиме ожидания.

Ученые продолжили совершенствовать свой прототип и добавили микроканальную 3D-структуру. Вместо плоской поверхности, похожей на бутерброд из полупроводника и изотопа, внутри батарейки создали глубокие «колодцы» или «каналы», чтобы увеличить площадь контакта полупроводника с радиоактивным изотопом. Стенки каждого «канала» легируются так, чтобы область, где рождается ток, шел вдоль всей поверхности этих стенок. Это позволило увеличить мощность и снизить себестоимость батареи, сохранив компактный размер.

Так почему же они до сих пор не поступили в продажу?

Главное ограничение — высокая стоимость. Например, цепочка получения никеля-63 включает очистку исходного сырья и две стадии обогащения. Наработка изотопа происходит медленно, что существенно влияет на цену конечного продукта: 200 граммов никеля-63 соизмеримы по стоимости с премиальными апартаментами в Москва-Сити. Несмотря на то, что для производства одной батарейки необходимо меньше грамма изотопа, ее итоговая стоимость сейчас составляет более миллиона рублей.

Российские ученые продолжают активную работу над удешевлением производства атомных батареек. «Росатом» непрерывно совершенствует технологическую цепочку наработки никеля-63, стоимость которого составляет около 90% стоимости получаемой батарейки. Моя научная работа — часть этой технологической цепочки.

Подводя итог, я хочу подчеркнуть главную мысль: атомные батарейки — это не фантастика, а уже существующая, но узкоспециализированная и дорогая технология. Сегодня это продукт для государственных космических программ, военных и промышленных задач, где требуется гарантированное питание на десятилетия в экстремальных условиях.

Коммерческие образцы вроде BV100 или NanoTritium доказывают работоспособность идеи, но их малая мощность делает применение очень ограниченным, а высокая стоимость почти исключает массовое использование. Тем не менее, я думаю, что за атомными батарейками большое будущее, даже если оно не будет касаться бытовой электроники.

В обозримом будущем аккумуляторы вряд ли исчезнут, но рядом с ними сформируется отдельный класс встроенных источников питания, рассчитанных на весь срок службы устройства. И там, где энергопотребление удается снизить до микроватт и ниже, атомная батарейка превратится из дорогой экзотики в рабочий инструмент. Я с удовольствием наблюдаю за этой эволюцией.