​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

  • 09/07/2018

    Впервые высокодетальный снимок со спутника Аист-2Д принят российским комплексом космического мониторинга «Лоретт»

    Высокодетальный снимок с российского спутника Аист-2Д принят лабораторным комплексом космического мониторинга «Лоретт» (LoReTT - Local Real Time Tool). Аппарат Аист-2Д передал данные на территорию города Перт (Австралия) 15 июня 2018 г.
    87
  • 19/01/2018

    В России создаются двигатели для гиперзвуковых ракет будущего

    ​Прошли успешные испытания так называемых детонационных ракетных двигателей, давшие очень интересные результаты. Опытно-конструкторские работы в этом направлении будут продолжены. Детонация - это взрыв.
    595
  • 16/03/2018

    Российские ученые создали наноструктуры, ускоряющие работу электроники

    Ученые Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" в сотрудничестве со специалистами Института физики металлов УрО РАН разработали и изучили наногетероструктуры на основе арсенида галлия, способные повысить быстродействие высокочастотных микросхем.
    207
  • 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
  • 20/03/2015

    Сибирские ученые приняли участие в международной выставке "Фотоника. Мир лазеров и оптики"

    ​В мероприятии, посвященном новейшим разработкам в области оптической, лазерной и оптоэлектронной техники, участвовали 9 институтов из Новосибирска, Томска и Кызыла. Как сообщает сайт Сибирского отделения Российской академии наук, стенд СО РАН в этом году занимала бОльшую площадь, чем в прошлом, что позволило с комфортом разместить экспонируемые образцы.
    668
  • 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.
    331
  • 06/09/2017

    В Новосибирске расмотрели альтернативы «мусорному» концессионеру

    ​Альтернативные предложения по сбору и утилизации отходов были рассмотрены в рамках "Городской ассамблеи" в Новосибирске. Местные разработчики предложили новые современные технологии переработки ТКО.
    628
  • 25/01/2016

    Российские ученые разработали новую биосенсорную тест-систему для анализа крови

    ​Отныне анализ крови станет не сложнее теста на беременность, благодаря новой разработке исследователей из ИОФ РАН и МФТИ. Речь идет о новой  биосенсорной тест-системе, основанной на применении магнитных наночастиц и предназначенной для очень точного измерения концентрации белковых молекул (например, так называемых «маркеров», которые указывают на начало или развитие заболеваний) в различных образцах, включая непрозрачные или сильно окрашенные жидкости.
    1543
  • 27/03/2017

    Новосибирские ученые создали материал, обеспечивающий 30 лет непрерывной работы химического реактора

    Ученые из Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН и Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) создали новую технологию сплавления титана и тантала, в результате чего получили особо стойкий к коррозии и агрессивным средам материал.
    1204
  • 29/12/2016

    Ученые СФУ презентовали антенны для сетей четвертого поколения

    ​Два проекта ученых Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ были представлены на национальной выставке-форуме "ВУЗПРОМЭКСПО-2016", прошедшей в Москве с 14 по 16 декабря 2016 года. Обе разработки выполнены совместно со стратегическим партнером ""Информационные спутниковые системы" имени академика М.
    971