Група науковців та промислових партнерів одержала контракт DARPA на $3,37 млн для розробки компактних ядерних джерел живлення, здатних працювати десятиліттями без дозаправлення. Проєкт називається SYMPHONEE і входить до програми Rads to Watts. Його мета — безпосередньо перетворювати енергію радіоактивного розпаду на електрику без турбін, котлів та звичної електростанції.
Мова не про мініреактор з керованою ланцюговою реакцією. У центрі розробки є радіовольтаїчний елемент. За принципом перетворення він ближчий до сонячної батареї: є джерело частинок, є напівпровідник, а енергія випромінювання створює електричний струм. Тільки замість сонячного світла використовується випромінювання радіоізотопу, наприклад, стронцію-90.
Такі джерела живлення потрібні там, де звичайна батарея стає слабким місцем. Підводний датчик, космічний апарат, віддалена платформа чи військова система не завжди дозволяють регулярно змінювати акумулятори. Радіоізотопне джерело може роками видавати невелику, але стабільну потужність і обходитися без частого обслуговування.
Стронцій-90 обраний через тип випромінювання та тривалий термін роботи. Це бета-випромінний радіоізотоп: при розпаді він випромінює швидкі електрони. Ці частки можна направити на напівпровідникову структуру, де їх енергія створює носії заряду. Потім пристрій знімає електричний струм. Довгий період напіврозпаду дозволяє джерелу працювати не тижні чи місяці, а багато років.
Команда проєкту також розраховує використовувати ізотопи, одержані з переробленого ядерного палива та старих потоків радіоактивних відходів. У такому підході речовина, яка зазвичай вимагає зберігання та контролю, перетворюється на енергетичний ресурс для вузьких завдань. Вимоги до радіаційної безпеки при цьому нікуди не зникають, але частина матеріалів набуває практичного застосування.
Головна технічна мета DARPA — підвищити питому потужність. Цей показник показує скільки електричної потужності система видає на одиницю маси. Для космічних апаратів, підводних сенсорів та компактних військових платформ вага критична. Джерело живлення може працювати десятиліттями, але якщо воно надто важке або дає занадто мало енергії, користі від такої довговічності буде небагато.
У радіовольтаїчних пристроях є давня проблема: випромінювання одночасно дає енергію та пошкоджує матеріал перетворювача. Частинки створюють електричний струм, але поступово псують напівпровідник та знижують ефективність. Тому розробникам потрібно підібрати матеріали та структуру елемента так, щоб пристрій витримував накопичену радіаційну дозу та продовжував стабільно працювати.
У SYMPHONEE планують поєднувати бета-випромінюючі ізотопи з тонкими напівпровідниковими шарами. У такій конструкції важливо зловити якнайбільше енергії частинок і не зруйнувати перетворювач надто швидко. Значна частина випробувань буде пов’язана саме з радіаційною стійкістю матеріалів та збереженням ефективності на тривалому терміні.
У проєкті беруть участь компанії та дослідницькі організації з досвідом у мікроелектроніці, моделюванні, радіаційних ефектах та живучості систем. Така експертиза потрібна, тому що джерело живлення має працювати не в ідеальній лабораторії, а в складних умовах: у космосі, під водою, на віддалених об’єктах або на платформах, де відмова може зірвати всю місію.
Попереднє моделювання показує, що технологія може вийти на цільові показники DARPA за питомою потужністю та щільністю енергії. Але розрахунки ще не означають готовий виріб. Інженерам належить довести, що пристрій можна стабільно робити, що напівпровідники витримують тривале опромінення, що вихідна потужність не падає дуже швидко, а конструкція залишається безпечною на всьому терміні служби.
Якщо проєкт спрацює, такі джерела живлення не замінять звичайні акумулятори у побутовій техніці та не стануть універсальною енергетикою. Їхня ніша набагато вужче: системи, яким потрібна невелика або середня потужність на дуже довгий термін там, де не можна поставити сонячну панель, протягнути кабель або регулярно міняти батареї.
Особливо перспективним виглядає космос. Сонячні панелі добре працюють не скрізь: далекі райони Сонячної системи, тінь, радіаційні пояси та пил можуть різко знижувати їхню корисність. Радіовольтаїчне джерело не залежить від освітлення і може живити прилади там, де сонячна енергетика надто ненадійна або потребує громіздких конструкцій.
Під водою ситуація схожа. Сонячне світло туди не доходить, кабельне живлення дороге і вразливе, а регулярна заміна батарей потребує складної логістики. Довгоживуче радіоізотопне джерело могло б підтримувати датчики, комунікаційні вузли або інфраструктуру спостереження без постійних виїздів на обслуговування.
SYMPHONEE поки що знаходиться на стадії розробки та перевірки концепції. Контракт DARPA дає команді гроші на створення та випробування нового класу радіовольтаїчних пристроїв, але до серійних систем ще потрібно пройти повний цикл перевірки матеріалів, конструкції, безпеки та реальної вихідної потужності. Головна інтрига проєкту в тому, чи вдасться перетворити радіоактивний розпад із повільного джерела мікропотужності на практичну компактну енергетичну систему для складних середовищ.
Більше цікавого:
- «Піщана батарея» для опалення цілого міста у Фінляндії
- Нова реальність світової енергетики: ШІ споживає енергію швидше, ніж людство встигає її виробляти
- Нова енергетика — як працює перший приватний термоядерний реактор
Джерело: BusinessWire