Делаем электричество из изотопов
Вспоминаем школьный курс химии и физики. Слово "изотоп" означает, что мы имеем дело с химическим элементом, который занимает ту же клеточку в таблице Менделеева, но имеет другую массу ядра. Разницу в массе обеспечивают "лишние" или "недостающие" нейтроны. Например, кроме обычного водорода с одним протоном (1H) существует его более тяжёлый изотоп - дейтерий (2H), у которого в ядре протон и нейтрон. Есть ещё и тритий с одним протоном и двумя нейтронами (3H).
Если химических элементов в таблице Менделеева больше сотни, то изотопов - свыше трёх тысяч. Большинство из них нестабильны: одни распадаются миллиарды лет, другие - за доли секунды. При распаде выделяется энергия, которую можно использовать себе во благо. Самый очевидный пример - атомные электростанции, в которых тепло от распада урана-237 превращается в электроэнергию.
Такой источник энергии не обязательно должен быть громадным, как АЭС. Например, на космических аппаратах "Пионер" и "Вояджер" установлены вполне компактные энергетические установки, работающие на изотопе плутония. Благодаря им эти аппараты смогли покинуть пределы Солнечной системы и продолжают свой путь во Вселенной.
Другой вариант использования энергии распада изотопа - новая технология под названием бетавольтаика. Как она работает? В результате бета-распада (ядро изотопа выбрасывает электрон и антинейтрино либо - реже - позитрон и нейтрино) излучение попадает в полупроводник, который преобразует его в электрический ток. Аналогичным образом устроена солнечная батарея, только здесь вместо фотонов от Солнца улавливается электрон от изотопа.
Почему бетавольтаика так перспективна? Она даёт энергию долго - десятилетиями. Не требует обслуживания. Да, у такой батарейки низкая мощность, но зато высокая энергоёмкость. И тут не нужны тяжёлые радиоактивные изотопы вроде плутония. Бета-распад куда более невинен.
Как получить тяжёлый никель
Патент на бетавольтаику был получен ещё в 1957 году, но реализовать его удалось только сейчас. Одно дело теория, другое - реально работающий гаджет.
- Мы долго выбирали изотоп для своей батарейки. Сначала ориентировались на сверхтяжёлый водород - тритий. Но его тяжело загнать в твёрдое состояние, а работать с радиоактивным газом как-то не хочется, - объясняет один из авторов проекта, аспирант химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Иван Харитонов. - Изотопы стронция и талия были слишком активны и разрушали кремниевый приёмник.
В итоге остановились на никеле-63. В природе такого изотопа не существует. Легче всего его получить из никеля-62, который образуется естественным путём. Но в обычном никеле такого изотопа не больше 3-4%, всё остальное - более лёгкие версии этого химического элемента. Поэтому сначала пришлось воспользоваться центрифугой, чтобы увеличить концентрацию никеля-62. Дальше ещё сложнее: целых два года бомбардировали нейтронами никель-62, чтобы часть атомов схватила дополнительную частицу и превратилась в никель-63. Об этом удалось договориться с Ленинградской АЭС. Но далеко не весь металл превратился в нужный изотоп. Поэтому его разогрели до такого состояния, что он перешёл в газовую фазу, и снова разделили по массе, чтобы увеличить концентрацию никеля-63.
- Всё это дорогой и сложный процесс, но альтернативы ему пока нет, - поясняет Иван. - В будущем мы надеемся задействовать установки, которые используются для обогащения оружейного урана.
Дорогой - это мягко сказано. Одна экспериментальная батарейка стоит от трёх до десяти миллионов рублей. И 99% этой цены - стоимость изотопа никеля.
"Страна чудес"
Следующий этап - изготовление подложки, которая будет ловить частицы, образующиеся при распаде изотопа, и превращать их в электричество.
- Мы объездили всю Россию, собирая разные типы солнечных батарей, - объясняет Иван Харитонов. - Наилучшим оказался образец из Краснодара.
Ещё одна проблема - нанесение никеля-63 на подложку из кремния. Нужно обеспечить слой примерно в 15 нанометров, иначе распад будет поглощаться внутри самого материала. А неэффективно тратить столь дорогой изотоп, конечно, нельзя.
- Мы использовали электрохимический метод нанесения, - говорит Иван. - Но недаром электрохимию называют "страной чудес". Реакция порой идёт совершенно непредсказуемо и зависит от мелочей вплоть до тряпки, которой протирали стол.
Иван показывает на экране чёрно-белые пирамидки. Проверять правильность нанесения приходится с помощью атомно-силового микроскопа, который позволяет контролировать работу с точностью почти до атома.
В итоге получилось устройство площадью 2×2 сантиметра и толщиной в несколько микрон. Мощность - 60 микроватт. Для сравнения: чтобы обеспечить энергией обычную лампочку, понадобится примерно десять миллионов таких устройств.
Атомная электростанция в сердце
У обывателя сразу возникает вопрос: а можно ли на основе этой технологии сделать батарейку для телефона или ноутбука и навсегда забыть фразу "у меня гаджет разрядился"?
- Меня часто об этом спрашивают, - признаётся Иван. - Ну, если кто-то готов заплатить за такое удовольствие несколько миллиардов рублей... Но должен сразу предупредить: по размеру батарейка будет несопоставима с мобильником.
Пока считают, что основное назначение атомной батарейки - питание кардиостимуляторов. Кому-то покажется страшноватой идея разместить внутри организма миниатюрный аналог атомной электростанции. Но учёные уверяют: устройство абсолютно безопасно. Использование атомной батарейки позволит не менять источник энергии кардиостимулятора раз в 3-4 года, как это делается сейчас, всё-таки операция - штука не самая приятная. Через 70 лет атомная батарейка сократит выработку тока лишь на 30% (срок полураспада никеля-63 - примерно 100 лет). Вдобавок такой кардиостимулятор не раздражает металлоискатель.
Ещё эту батарейку можно использовать в космических аппаратах - сейчас там стоят источники энергии, которые работают не больше двух десятков лет. И тогда "Вояджер" или "Пионер" нового поколения сможет улететь ещё дальше - туда, куда человечество никогда не добиралось.
235U и 238U (уран-235 и уран-238) - основное топливо для атомных электростанций, ядерное оружие.
239Pu (плутоний-239) - оружие, АЭС (намного меньше, чем уран).
238Pu (плутоний-238) - источник энергии для многих космических аппаратов, например "Вояджеров" и "Кассини".
2H (дейтерий, тяжёлый водород) - используется в атомной энергетике для замедления нейтронов. В смеси с тритием применяется в водородных бомбах. Предполагается, что он станет основой и для мирной термоядерной энергетики. Ещё дейтерий планируют использовать в медицине - чтобы лекарства в организме работали дольше.
3H (тритий, сверхтяжёлый водород) - оружие, термоядерная энергетика. Ведутся эксперименты по использованию трития в генераторах энергии сверхмалой мощности - например, для питания радиометок или автономных датчиков.
131I (йод-131) - лечение и диагностика болезней щитовидной железы.
14С (углерод-14, радиоуглерод, радиокарбон) - любимый изотоп палеонтологов и антропологов. Соотнесение радиоактивного 14С с его более стабильными родственниками 12С и 13С - главное средство для определения возраста биологических объектов. Также используется для диагностики лёгочных и желудочных болезней.
60Co (кобальт-60) - источник гамма-излучения для обеззараживания продуктов, инструментов, отходов. Применяется в радиохирургии для лечения рака ("кобальтовая пушка", гамма-нож).
137Cs (цезий-137) - используется примерно так же, как кобальт-60, с поправкой на более длительный период полураспада и менее жёсткое гамма-излучение.
99Te (технеций-99) - диагностика опухолей головного мозга.
18F (фтор-18) - помогает выявлять многие расстройства: опухоли, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, эпилепсию.