Атомные электростанции, которые вырабатывают около 20% всей электроэнергии, производимой в Соединенных Штатах, практически не производят выбросов парниковых газов. Однако эти системы действительно создают радиоактивные отходы, которые могут быть опасны для здоровья человека и окружающей среды. Безопасная утилизация этих отходов может оказаться непростой задачей.

Используя комбинацию сцинтилляционных кристаллов, материалов высокой плотности, которые излучают свет при поглощении излучения, и солнечных элементов, команда, возглавляемая исследователями из Университета штата Огайо, продемонстрировала, что окружающее гамма-излучение может быть собрано для получения достаточно мощной электрической мощности для питания микроэлектроники, такой как микрочипы.

Чтобы протестировать эту батарею, которая является прототипом размером около 4 кубических сантиметров, исследователи использовали два различных радиоактивных источника: цезий-137 и кобальт-60, одни из наиболее значимых продуктов деления, образующихся из отработавшего ядерного топлива. Батарея была протестирована в лаборатории ядерных реакторов штата Огайо. NRL поддерживает исследования студентов и профессорско-преподавательского состава, образование студентов и обслуживание промышленности - она не производит электроэнергию.

Их результаты показали, что при использовании цезия-137 батарея вырабатывала 288 нановатт. Тем не менее, благодаря гораздо более сильному изотопу кобальта-60 батарея вырабатывала 1,5 микроватта энергии, что примерно достаточно для включения крошечного датчика.

Хотя большая часть выходной мощности для дома и электроники измеряется в киловаттах, это говорит о том, что при правильном источнике питания такие устройства могут быть расширены для целевых приложений на уровне ватт или выше, сказал Рэймонд Цао, ведущий автор исследования и профессор машиностроения и аэрокосмической инженерии в штате Огайо.

Исследование было недавно опубликовано в журнале Optical Materials: X.

Исследователи заявили, что эти батареи будут использоваться вблизи мест производства ядерных отходов, например, в бассейнах для хранения ядерных отходов или ядерных системах для космических и глубоководных исследований - они не предназначены для общественного использования. К счастью, хотя гамма-излучение, используемое в этой работе, примерно в сто раз более проникающее, чем обычный рентген или компьютерная томография, сама батарея не содержит радиоактивных материалов, что означает, что прикасаться к ней по-прежнему безопасно.

"Мы собираем то, что по своей природе считается отходами, и пытаемся превратить это в сокровище", - сказал Цао, который также является директором лаборатории ядерных реакторов штата Огайо.

Согласно исследованию, батарея команды, возможно, также испытала увеличение мощности из-за состава прототипа сцинтилляционного кристалла, который команда решила использовать. Они обнаружили, что даже форма и размер кристаллов могут повлиять на конечную электрическую мощность, поскольку больший объем позволяет им поглощать больше излучения и преобразовывать эту дополнительную энергию в большее количество света. Большая площадь поверхности также помогает солнечному элементу вырабатывать энергию.

"Это прорывные результаты с точки зрения выходной мощности", - сказал Ибрагим Оксуз, соавтор исследования и научный сотрудник в области машиностроения и аэрокосмической инженерии в штате Огайо. "Этот двухэтапный процесс все еще находится на предварительных стадиях, но следующий шаг предполагает генерирование большей мощности с помощью масштабируемых конструкций".

Поскольку батареи такого типа, скорее всего, окажутся в средах, где уже существует высокий уровень радиации и которые труднодоступны для населения, эти долговечные устройства не будут загрязнять окружающую среду. Что еще более важно, они также могли бы работать без необходимости в плановом техническом обслуживании.

По словам Цао, расширение масштабов этой технологии было бы дорогостоящим, если бы эти батареи не могли быть надежно изготовлены. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы оценить полезность батарей и их ограничения, в том числе то, как долго они могут прослужить после безопасного внедрения, сказал Оксуз.

"Концепция ядерной батареи очень многообещающая", - сказал он. "Все еще есть много возможностей для совершенствования, но я верю, что в будущем этот подход займет важное место как в производстве энергии, так и в индустрии датчиков".

Эта работа была поддержана Национальным управлением ядерной безопасности Министерства энергетики США и Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США. Среди других соавторов - Сабин Нойпане и Янфа Ян из Университета Толедо.