​Специалисты Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) разрабатывают радиоизотопные источники питания на основе бета-вольтаических источников питания с использованием нанокластерных пленок радиоизотопа никель-63. Это поможет создать безопасные ядерные батареи со сроком службы 100 лет для кардиостимуляторов, миниатюрных датчиков сахара или артериального давления, систем телеметрии удаленных объектов, микро-роботов, а также устройств длительной автономной работы, рассказали РИА Новости в пресс-службе вуза. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Physics Letters

Проблема миниатюризации

Исследования свойств наноразмерных объектов сегодня вызывают повышенный интерес у специалистов из-за тенденции к миниатюризации технических устройств, особенно в области наноэлектроники. Современные достижения в сфере создания микро- и нано-электромеханических систем (МЭМС и НЭМС), объединяющих в одном устройстве наноэлектронику и механические элементы, такие как приводы, насосы или двигатели, могут быть перспективными для создания микроскопических физических, биологических или химических датчиков.

​​Однако массовому внедрению подобных устройств мешает отсутствие миниатюрных источников питания для энергообеспечения микроэлектромеханических и наноэлектромеханических систем. Сегодня ученые активно исследуют возможность миниатюризации привычных литий-ионных батарей, солнечных батарей, топливных ячеек и всевозможных типов конденсаторов. Однако размеры подобных источников питания пока слишком велики для создания действительно микро- и наноразмерных систем.

Другой подход к проблеме обеспечения питания современных и перспективных МЭМС и НЭМС связан с применением радиоизотопных батарей. Радиоизотопные, они же ядерные, они же атомные батареи – это источники тока, в которых энергия радиоактивного распада метастабильных элементов – атомных ядер – преобразуется в электричество. Они характеризуются большой плотностью энергии на единицу массы и объема. Период стабильного энерговыделения варьируется в широких пределах подбором нуклида. Радиоизотопные батареи могут долго и стабильно работать, их не нужно обслуживать, они бесшумны.

Уникальные свойства никеля-63

Сегодня одним из самых коротких путей превращения энергии ядерного распада в электрическую считается термоэлектрическое преобразование. Однако ученые активно исследуют и бета-вольтаические источники питания, которые представляют большой интерес для практического применения. Дело в том, что при использовании в миниатюрном источнике питания радиоизотопа, излучающего мягкое β-излучение, можно легко создать систему физической защиты пользователя и окружающих объектов от радиации. Поэтому такие источники считаются перспективными для гражданского применения.

Ученые НИЯУ МИФИ исследовали электрофизические свойств нанокластерной пленки никеля и подобрали оптимальные параметры эксперимента для создания эффективного преобразователя энергии бета-распада никеля-63 в электричество. Радиоизотоп никель-63 — один из наиболее перспективных радионуклидов в бета-вольтаике. Этот мягкий бета-излучатель с продолжительным периодом полураспада – 100,1 лет. Поэтому никель-63 — уникальный элемент, который подходит для продолжительного питания систем, не требующих высоких энергетических затрат.

С точки зрения материала, никель также достаточно хороший металл – пластичный, относительно инертный, легко обрабатывается; при работе с ним не нужен контейнер для транспортировки и хранения.

По словам ученых, повышение эффективности существующих преобразователей энергии бета-распада никеля-63  в электричество, а также поиск альтернативных физических систем — крайне перспективные задачи современной науки.

Новые подходы ученых НИЯУ МИФИ

Исследователи создали оригинальную физическую систему, позволяющую провести эффективную генерацию вторичных электронов непосредственно внутри наноструктурированных пленок никеля и значительно увеличить токовый сигнал, вызванный каскадом многократных неупругих соударений β–частиц, сообщил доцент кафедры физико-технических проблем метрологии Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Петр Борисюк.

"Эта система относительно простая с точки зрения экспериментальной реализации и представляет собой ансамбль плотноупакованных нанокластеров никеля с градиентным распределением наночастиц по размеру, осажденных на поверхности широкозонного диэлектрика – оксида кремния", –  рассказал он РИА Новости.

В ходе исследования ученые пришли к выводу, что формирование нанокластерных пленок никеля-63 с градиентным распределением наночастиц по размерам открывает уникальную возможность совместить сразу два важных процесса. Во-первых, можно формировать покрытия с фиксированной разностью потенциалов, которая определяется разницей размеров наночастиц в выделенном направлении. Во-вторых, можно осуществлять преобразование энергии бета-распада никеля-63 в ток электронов без использования дополнительных сложных для реализации полупроводниковых систем.

Полученные учеными результаты подтверждают, что формируемые градиентные нанокластерные пленки никеля обладают уникальными свойствами. Область применения радиоизотопных источников с термоэлектрическим преобразованием практически безгранична. Она простирается от ядерных батарей сверхмалых размеров для питания микро- и наноэлектромеханических систем до кардиостимуляторов, миниатюрных датчиков сахара или артериального давления, систем телеметрии удаленных от инфраструктуры объектов, микро-роботов различной специализации и назначения, а также устройств для длительной автономной работы в дальнем космосе, на больших глубинах и в районах Крайнего Севера.

Исследование ученых НИЯУ МИФИ проводилось в рамках гранта Российского Научного Фонда.

Похожие новости

  • 23/11/2017

    Сибирские ученые модернизировали метод расчета движения жидкостей

    ​Исследователи из Сибирского федерального университета (СФУ) в сотрудничестве с коллегами из Московского государственного университета и Сибирского отделения РАН предложили использовать для гидродинамических расчетов систему из нескольких графических процессоров вместо центрального.
    361
  • 15/01/2018

    Российские ученые выяснили, как способ обработки полипропилена влияет на механические свойства конечного изделия

    ​Коллектив учёных, в том числе из Института синтетических полимерных материалов РАН и МФТИ, выяснил, как «правильность» молекул полипропилена и способ обработки влияют на механические свойства конечного изделия.
    327
  • 31/05/2016

    До конца 2018 года ТПУ завершит создание Научного парка

    ​Первая очередь Научного парка, открытая к 120-летнему юбилею Национального исследовательского Томского политехнического университета (ТПУ) стала, вероятно, самым весомым и ценным подарком вуза университетской элите, студентам, аспирантам и всем тем, кто не мыслит себя сегодня вне науки.
    1250
  • 12/05/2016

    Российские физики смоделировали акустические волны в пьезоэлектрических микроструктурах

    ​Физики из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов, Московского физико-технического института и Сибирского федерального университета смоделировали акустические волны в пьезоэлектрических микроструктурах, на основе которых можно создать компактные и высокочувствительные датчики.
    1047
  • 19/07/2017

    Ученые ТПУ представляют свои разработки на крупнейшем авиасалоне МАКС-2017

    ​​18 июля XIII Международный авиационно-космический салон "МАКС-2017" - один из крупнейших мировых авиасалонов - начал свою работу на аэродроме в подмосковном Жуковском. Томский политехнический университет представляет здесь свои уникальные разработки, среди которых тепловой дефектоскоп для контроля композиционных материалов авиационной техники, технологии 3D-печати в условиях невесомости, покрытия для станций "Глонасс" и для защиты солнечных батарей, антиметеоритные защитные пленки для иллюминаторов космических кораблей.
    444
  • 04/02/2017

    Новый материал, созданный российскими учеными, заменит алюминий и титан в авиалайнерах

    Сотрудники химического факультета МГУ создали уникальные полимерные матрицы на основе новых фталонитрильных мономеров для полимерных композиционных материалов.Разработанные материалы обладают более высокой удельной прочностью по сравнению с металлами, за счет чего позволяют радикально снижать массу деталей летательных аппаратов, самолетов и космических кораблей, эксплуатирующихся при высоких температурах.
    1004
  • 13/12/2017

    Российский физик нашел новый способ запустить термоядерную реакцию

    Физик из МГУ и Института прикладной математики РАН доказал, что термоядерную реакцию можно запустить, используя уже существующие ускорители плазмы и магнитные ловушки, что может ускорить создание чистых источников энергии, говорится в статье, опубликованной в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion.
    499
  • 01/08/2017

    В РФ создано акустоэлектронное устройство с диапазоном в два раза больше, чем у аналогов

    ​Исследователи из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов в Москве и Сибирского федерального университета (СФУ) создали эффективное акустоэлектронное устройство на основе синтетических алмазов, сообщила в понедельник пресс-служба СФУ.
    518
  • 10/05/2018

    Красноярские ученые создали инновационный способ подготовки ядерных отходов к захоронению

    ​Инновационную технологию подготовки к безопасному хранению радиоактивных отходов (РАО), полученных от переработки отработавшего облученного ядерного топлива (ОЯТ), разработали ученые Сибирского федерального университета (СФУ), сообщил ТАСС один из авторов исследования, профессор СФУ, доктор технических наук Владимир Кулагин.
    139
  • 14/02/2017

    Томский ученый Илья Романченко - о физике и разработках

    ​​​Томский физик Илья Романченко получил премию президента в области науки и инноваций для молодых ученых за 2016 год. В интервью РИА Томск он рассказал о том, как его работа может помочь в борьбе против раковых клеток и террористов, почему в физике недостаточно просто выучить формулы, а также на что он собирается потратить 2,5 миллиона рублей.
    2136