Зачем нужны атомные батарейки

Сегодня атомную батарейку уже можно купить в интернете. Во всяком случае такие предложения есть. За эту экзотику, произведенную, к примеру, в США, нужно выложить 1000 долларов. Китайская обойдется дешевле. Зачем нужны столь супердорогие "игрушки"?

Главное достоинство - долговечность. Срок службы может быть и 20, и 50, и 100, и даже тысяча лет. Все зависит от периода полураспада радиоактивного изотопа - источника энергии. Отсюда и возможные области применения. Химические батарейки разряжаются, их приходится периодически менять. С "вечным" источником энергии такой проблемы вообще нет. Еще сфера применения - космос. С атомной батарейкой можно отправляться в дальние миссии, не думая о том, чем питать электронику.

Но все это пока действительно экзотика. И причина не только цена. Характеристики атомных батареек далеки от требуемых. Речь прежде всего о низкой удельной мощности и низком КПД, что существенно ограничивает сферу применения. Как изменить ситуацию? Над этим бьются в ведущих лабораториях мира. И здесь работа российских ученых из МИСиС под руководством профессора Виктора Мурашева может стать прорывом. Ими создана батарейка, у которой удельная мощность в 10 раз выше, себестоимость на 50 процентов ниже, а размеры в три раза меньше, чем у зарубежных аналогов. Срок работы - до 20 лет. За счет чего это удалось? Прежде всего, благодаря оригинальной конструкции батарейки и уникальной технологии ее изготовления.

- Источником энергии у нас служит изотоп никель-63 с периодом полураспада около 100 лет, - говорит один из разработчиков Сергей Леготин. - Этот изотоп испускает бета-частицы, которые создают электрический ток в полупроводнике из кремния. Во всем мире бьются над тем, выжать из изотопа максимум энергии. Самое очевидное: надо, чтобы через полупроводник проходило как можно больше бета-частиц. Поэтому стремятся сделать площадь контакта изотопа с полупроводником как можно больше.

И вот здесь начинаются проблемы. Скажем, существуют так называемые планарные батарейки, у которых изотоп наносится на плоскую поверхность. А так как он излучает во все стороны, то половина его энергии сразу теряется. Как говорится, греет воздух. Ученые МИСиС сделали батарейку в виде 3D-конструкции, в которой изотоп полностью находится внутри полупроводника. У бета-частиц нет шансов сработать вхолостую.

Казалось бы, идея очевидная. Но, скажем, в России до сих пор делают только плоскостные атомные батарейки. Проблема в сложности технологии.

- Чтобы максимально увеличить рабочую площадь, мы сделали в полупроводнике огромное количество дырок, куда загнали изотоп, - говорит Леготин. - Получился своеобразный ежик, только наоборот. Диаметр каждой 3-7 мкм, глубина - 50-150 микрометров. Таких дырок можно сделать и сто и миллион в зависимости от задачи. Таким образом площадь преобразования излучения увеличилась в 14 раз, а значит, и извлечения энергии.

Сегодня создать такую сеть дырок - не проблема. Такие технологии давно применяются в микроэлектронике. Проблема - создать в дырке p-n переход, а затем загнать туда изотоп. Причем так, чтобы он не пробил этот переход. Если подобное произойдет хотя бы в одной дырке, весь миллион можно выбрасывать. Словом, работа ювелирная.

Но российские ученые пошли еще дальше. "Есть два варианта, - объясняет Леготин. - Это планарные, где изотоп размещается на поверхности, и второй вариант - изотоп находится в дырках. Но в обоих случаях работает не весь объем полупроводника. Нам удалось совместить эти два варианта. В итоге в работу включается весь объем, от изотопа отбирается больше энергии и растет мощность батарейки.

Результаты работы опубликованы в международном научном журнале Applied Radiation and Isotopes. Сейчас ученые завершают международное патентование изобретения, а само устройство уже признано зарубежными экспертами. В частности, в обзоре авторитетного международного агентства НИТУ "МИСиС" назван одним из ключевых участников мирового рынка подобных батарей.

Инфографика "РГ" / Антон Переплетчиков / Юрий Медведев