20 лет без права отказа

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.

Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»