Нещодавно в Китаї стартап BetaVolt заявив про створення ядерної батареї розміром із монету, яка може прослужити 50 років.
Чи може BetaVolt пропрацювати 50 років?
Усі батареї роблять одне й те ж: вони виробляють електричний струм для виконання певної роботи. Але енергія не безплатна, вона якось видобувається, а потім витрачається, наприклад, якщо на телефоні увімкнути музику або просто дзвонити.
У старих-добрих пальчикових батарейках відбувається хімічна реакція, що виробляє струм, але вона не триває вічно та припиняється, коли вичерпає свій ресурс. У ядерній батареї джерелом енергії є шматок радіоактивного матеріалу, і він продовжуватиме працювати, поки зберігається ця радіоактивність — не вічно, але дуже довго.
BetaVolt — це 3-вольтова батарея на основі радіоактивного ізотопу нікелю-63 із заявленою вихідною потужністю 100 мікроватів. Її розмір становить 15x15x5 кубічних міліметрів, тобто поміститься на монеті. Вона використовує технологію під назвою бета-електрична генерація. Замість використання теплової енергії вона захоплює викинуті електрони, відомі як бета-частинки, із радіоактивного ізотопу нікелю, утворюючи електричний ланцюг. Батарея складається з декількох шарів нікелю, затиснутих між пластинами алмазу, які служать напівпровідником. Батарея BetaVolt містить невелику кількість радіоактивного матеріалу та, ймовірно, має певний вбудований захист, щоб її було безпечно використовувати поруч із людьми.
Знаючи потужність і напругу, досить легко розрахувати силу струму — 0,000033 ампера. Це зовсім мало, саморобна батарейка з монет працюватиме ефективніше. Однак потрібно пам’ятати, що електричний струм — це всього лише потік електронів від розпаду атомів нікелю. Швидкість цього потоку вимірюється в амперах: 1 ампер = 6,24 х 10 у 18 ступені електронів, що проходять через певну точку за секунду. В цьому випадку 0,000033 ампера означатимуть 2,08 х 10 у 14 ступені електронів за секунду.
Це означає, що потрібно щосекунди перетворювати 2,08 x 10 у 14 ступені атомів нікелю на мідь, щоб виробити такий струм. Аби використовувати його протягом 50 років, потрібно витратити 34,3 грама нікелю-63 або 3,8 см квадратного, що приблизно відповідає розміру кубика цукру. Однак не можна підтримувати постійний рівень струму, тому що швидкість розпаду знижується з часом разом зі швидкістю виробництва енергії. У підсумку ядерна батарея цілком може прослужити 50 років, але не зможе дати багато енергії та слабшатиме, поки повністю не “розрядиться”.
Чи зможе ядерна батарея живити смартфон?
Припустімо, потрібно зробити гаджет із терміном служби 10 років. Проблема в тому, що смартфону потрібна потужність електроенергії понад 100 мікроватів. Літій-іонний акумулятор iPhone 13 має ємність 3240 мАг (міліампер-годин). Це означає, що він може виробляти потужність 3,24 А протягом однієї години. Для одного заряду батареї потрібно перегнати 2,08 х 10 у 19 ступені електронів, і стільки ж “втече” під час розрядки. Тут неважливо, витратити всю кількість енергії за кілька годин або розтягнути на кілька днів, тому гаджет може лежати в кишені та майже не розряджатися.
Зовсім інша ситуація з ядерною батареєю. В разі BetaVolt швидкість струму визначається не інтенсивністю роботи, а тільки швидкістю розпаду нікелю-63. Іншими словами, батарея завжди увімкнена та працює на повну потужність, і важливо, щоб цієї потужності вистачало на виконання всіх завдань.
Смартфони в середньому споживають струм від 0,5 до 2 А, незалежно від навантаження. Припустімо, для нього потрібна ядерна батарея, яка забезпечить 1,5 А протягом 10 років для відеогри — для цього буде потрібно близько 309 кілограмів нікелю-63. Wired зазначила, що батарея важитиме, як самка яка. Насправді вага має бути ще більшою, якщо врахувати зниження швидкості розпаду. Можливо, якщо відмовитися від складних завдань і залишити тільки базові, як-от дзвінки та SMS, вистачить батареї вагою з козла. У 2025 році стартап планує випустити батарею потужністю 1 Вт, але навряд чи це суттєво змінить ситуацію.
“Отже, ядерні батареї реальні, і вони служать цілу вічність. Але якщо телефони не стануть ефективнішими, ці батареї не з’являться в новітніх смартфонах. І загалом вони не зовсім підходять для додатків зі змінним енергоспоживанням. Але я впевнений, що вони знайдуть спеціалізовані варіанти використання, що вимагають тривалого терміну служби та низького енергоспоживання, — можливо, такі речі як віддалені датчики”, — підсумував автор статті Ретт Аллен.