Китайские учёные создали ядерную батарею, способную работать тысячи лет

Исследователи из Северо-Западного педагогического университета Китая (Northwest Normal University) совместно со специалистами компании Gansu Zhulong Technology разработали новое поколение ядерной батареи, использующей радиоактивный изотоп углерода-14 и полупроводниковый преобразователь из карбида кремния (SiC). По словам разработчиков, устройство значительно превосходит предыдущую модель по эффективности, мощности и степени локализации производства.

Ядерная батарея, также известная как радиоизотопная или атомная батарея, вырабатывает электричество за счёт энергии, выделяющейся при естественном радиоактивном распаде изотопов. В отличие от обычных химических аккумуляторов, срок службы которых ограничен несколькими годами, такие источники питания способны функционировать десятилетиями, столетиями и даже тысячелетиями — в зависимости от используемого радиоактивного материала.

Именно поэтому радиоизотопные батареи давно применяются в космической технике и автономных устройствах, работающих в труднодоступных местах. Например, NASA использовало подобные источники энергии на космических аппаратах Voyager, запущенных в 1977 году, а также на марсоходе Curiosity, работающем на Марсе с 2012 года. Китай также применял радиоизотопные батареи на своих лунных аппаратах «Чанъэ-3» и «Чанъэ-4».

Новая разработка является частью китайской программы по созданию более компактных и мощных радиоизотопных источников питания, пригодных не только для космической отрасли, но и для промышленного применения.

Существенно мощнее предыдущей модели

Первая батарея на основе углерода-14, созданная этой же исследовательской группой в 2024 году, получила название Candle Dragon-I (Zhulong-1). Новая версия называется Qianjiyuan Tianshu и представляет собой заметный шаг вперёд.

По словам руководителя проекта Су Маогэня, предыдущие поколения подобных батарей страдали сразу несколькими недостатками: сравнительно низкой мощностью, сложностью интеграции в различные устройства и высокой стоимостью производства. Поэтому основной задачей учёных стало создание компактного, производительного и относительно недорогого источника питания, полностью изготовленного с использованием китайских технологий.

Разработчики отмечают, что новая батарея получила пять ключевых улучшений по сравнению с Zhulong-1. Среди них — более эффективное сочетание радиоактивного источника с преобразователем энергии, трёхмерная многослойная конструкция, позволяющая значительно экономить внутреннее пространство, встроенная система управления сверхмалым энергопотреблением и интегрированные датчики, благодаря которым устройство способно работать полностью автономно без внешнего питания.

Одним из важнейших достижений стало применение нового полупроводникового преобразователя из карбида кремния, полностью разработанного и произведённого в Китае.

Как работает новая батарея

Размер новой батареи составляет всего около 16,8 кубического сантиметра, что лишь немного превышает объем одного кубического дюйма. При использовании радиоактивного углерода-14 с активностью 129 милликюри устройство вырабатывает ток 0,713 микроампера, напряжение 2,06 вольта и обеспечивает максимальную мощность 1,13 микроватта.

В большинстве традиционных радиоизотопных батарей используется термоэлектрический принцип работы: тепло, возникающее при радиоактивном распаде, преобразуется в электрическую энергию. Однако подобные системы отличаются крупными размерами и требуют высокой рабочей температуры.

В новой разработке китайские инженеры применили иной подход. Вместо использования тепла батарея напрямую преобразует бета-частицы — электроны, испускаемые при распаде углерода-14. Они попадают на полупроводник из карбида кремния, где непосредственно создают электрический ток.

По сути, принцип работы напоминает солнечную панель. Разница лишь в том, что солнечные элементы преобразуют энергию света, тогда как новая батарея использует энергию радиоактивного излучения.

Компактнее и эффективнее

Хотя физические размеры новой батареи удалось уменьшить всего примерно на 17%, инженеры смогли увеличить объемную плотность мощности почти в 15 раз по сравнению с предыдущей моделью.

Кроме того, использование углерода-14 позволило сократить количество радиоактивного материала примерно до 22% от прежнего уровня, одновременно увеличив выходную мощность в 2,6 раза без ухудшения стабильности работы и выходного напряжения.

Такое сочетание компактности и эффективности делает новую технологию перспективной для создания автономных датчиков, медицинских имплантатов, промышленной электроники и космических аппаратов, где замена источника питания практически невозможна.

Тысячи лет непрерывной работы

Главное преимущество батареи связано с физическими свойствами углерода-14. Период его полураспада составляет 5730 лет, поэтому устройство способно сохранять работоспособность на протяжении нескольких тысячелетий. При этом мощность будет снижаться крайне медленно по мере естественного распада радиоактивного изотопа.

Хотя подобные батареи не предназначены для питания энергоёмких устройств вроде смартфонов или электромобилей, они идеально подходят для оборудования, которому требуется небольшое количество электроэнергии, но исключительно высокая надёжность и максимально длительный срок службы без обслуживания.

По мнению разработчиков, дальнейшее совершенствование технологии позволит создавать более мощные радиоизотопные источники питания, которые смогут найти применение в космических миссиях, системах мониторинга окружающей среды, медицинской технике и промышленной автоматике.