Бриллианты вечны?
Снова об «алмазной батарейке»

В феврале 2017 года в разделе «Футуризм» органа Всемирного экономического форума появилось сообщение о лекции профессора инженерного факультета Бристольского университета Тома Скотта. В рамках ежегодной серии лекций «Идеи для изменения мира» в Университете Джона Кэбота Скотт говорил о возможности превращения определенной части ядерных отходов в радиоактивные алмазы, которые можно использовать в качестве источника энергии.

В этой лекции под названием «Бриллианты вечны» Скотт с оптимизмом говорил о перспективах решения сразу двух задач: создания долговечного источника энергии и накопления радиоактивного графита из демонтированных реакторов. При облучении часть ¹²С превращается в радиоактивный ¹⁴С. Решение, сказал он, может выглядеть как радиоактивный алмаз, полученный из ¹⁴С, извлеченного из графитовых отходов.

В Великобритании, сказал Скотт, за 60 лет накопилось много интересных отходов из газоохлаждаемых реакторов. Что получится, если вместо обычного углерода для производства искусственных алмазов использовать радиоактивный и осознанно сформировать первый в мире высокоактивный алмаз?

В природе формирование алмазов занимает сотни тысяч и даже миллионы лет. Это значит, что природные алмазы не содержат радиоактивного ¹⁴С, период полураспада которого чуть более 5000 лет.

Перспектива появления радиоактивных алмазов создает интересные возможности для выработки энергии. Ведь ¹⁴С испускает бета-излучение, то есть высокоэнергетические электроны. Бета-излучение полностью поглощается слоем любого вещества с поверхностной плотностью порядка 1 г/см² (например, листом алюминия толщиной в несколько миллиметров) и потому относительно безопасно в сравнении с другими формами радиоактивного излучения.

Основная форма бета-вольтаического источника энергии описана еще в 1973 году. Это бетавольтаический преобразователь — источник электрической энергии, которая вырабатывается за счет преобразования энергии радиоактивного распада. Он состоит из бета-излучающего материала, соединенного с прибором с p-n-переходом. Высокоэнергетические бета-частицы генерируют пáры электрон–дырка, и процесс получения энергии подобен процессу в солнечных батареях, только источник энергии здесь — не фотоны, а β-частицы.

Теоретически это явление можно использовать для поддержания потока электронов в течение всего периода распада радиоактивного ¹⁴С, то есть нескольких тысяч лет. В этом и состоит концепция «алмазной батарейки».

Однако отдельные компоненты концепции — синтетические алмазы и бетавольтаические ячейки — уже сегодня стали реальностью. Бетавольтаические ячейки, в которых применяются радиоактивные прометий и плутоний, до появления литий-ионных батарей были самым обычным источником энергии для кардиостимуляторов. Сегодня бетавольтаические системы применяют там, где необходима постоянная подача энергии с низким энергопотреблением. Это, например, разного рода датчики и биомедицинские импланты. Военные разведки тоже заинтересованы в таких устройствах.

Порой требования к такой системе предусматривают работу в суровых условиях. В таких случаях бетавольтаические источники питания особенно перспективны, поскольку они хорошо зарекомендовали себя в экстремальных условиях.

Синтетическими алмазами сегодня тоже никого не удивишь. Их получают (растят) методом химического осаждения из парогазовой среды (CVD-метод). Этот процесс идет при высоких температурах, но (в отличие от природного процесса) при низком давлении. Метод ращения алмазов химическим осаждением из парогазовой среды развивался и совершенствовался более 30 лет, особенно в последние годы, и сегодня это хорошо отработанная, стабильно применяемая технология.

CVD-методом выращивают, например, алмазные пленки диаметром от 1 мм до 50 см и толщиной от долей мкм до 3 мм и более. Микроструктурой алмазных пленок и размером кристаллитов в диапазоне от микро- до нанометров можно управлять путем изменения условий химического осаждения и таким образом получать различные материалы, от нанокристаллических пленок до поликристаллических пластин и крупных монокристаллов.

Преимущество использования алмаза (который по определению состоит из атомов углерода) для создания бетавольтаической ячейки, во‑первых, в том, что это самый твердый на планете материал, не подверженный коррозии и износу. Во-вторых, алмаз — сверхпроводящий материал. И в‑третьих, как утверждает Скотт, процесс алмазообразования позволяет упаковать радиоактивный ¹⁴С в тонкий слой обычного алмаза из ¹²С, ограничив таким образом его излучение: нормальный алмаз не только экранирует излучение, но и повышает эффективность выработки энергии. Если такой «сэндвич» из обычного и радиоактивного алмазов подключить к электродам, мы получим искомое устройство.

Но все это пока теория. Скотт действительно разработал прототип такой батареи, но в качестве источника излучения в ней использован ⁶³Ni, а не алмаз из графитовых отходов. По словам Скотта, он вместе с командой создал прототип в качестве источника бета-излучения из трития и синтетического алмаза из ¹⁴C. В США и Великобритании поданы патентные заявки на эти устройства, и, видимо, вскоре можно ждать обильных публикаций по теме.

Правда, стоит отметить: хотя общая продолжительность жизни теоретической батарейки значительно превысит продолжительность существования сельского хозяйства на нашей планете, область применения такого устройства будет весьма ограниченной. Ведь 1 г ¹⁴C будет вырабатывать 14 Дж энергии в сутки, то есть меньше, чем обычная батарейка АА.

Батарейка АА весом 20 г хранит 700 Дж энергии, но, работая постоянно, истощается за 24 часа. Алмазная же батарейка будет работать тысячелетия, однако вряд ли она будет запитывать подключенные устройства напрямую. Скорее всего, ее соединят с конденсатором, который будет заряжаться от батареи, а затем разряжаться, непрерывно либо с установленными интервалами, питая подключенное устройство.

Так что с точки зрения науки предложенная Скоттом технология вполне реальна и основана на десятилетиях исследований бетавольтаических систем и производства синтетических алмазов. Но поскольку в реальности такого устройства пока не существует, а его возможное применение ограничено, сегодня все сообщения на эту тему следует воспринимать с долей скепсиса.