Onderzoekers van de National Research Nuclear University MEPhI (Rusland) ontwikkelen bèta-voltaïsche radio-isotoopbatterijen met nikkel-63 nanocluster-radio-isotoopfilms. Het concept is om veilige nucleaire batterijen te ontwikkelen met een levensduur van 100 jaar voor pacemakers, miniatuur glucosesensoren, arteriële bloeddrukbewakingssystemen, en voor het besturen van objecten op afstand en microrobots, en op zichzelf staande systemen die lange tijd kunnen werken. Onderzoeksresultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven .

Onderzoekers zijn meer dan ooit geïnteresseerd in projecten om nanotechnologie te ontwikkelen om technologische apparaten te miniaturiseren, voornamelijk nano-elektronische systemen. De nieuwste prestaties bij het creëren van micro-elektromechanische en nano-elektromechanische systemen die nano-elektronica en mechanische elementen combineren, kunnen het mogelijk maken microscopische fysieke, biologische of chemische sensoren. Echter, het gebrek aan miniatuurbatterijen voor het aandrijven van micro-elektromechanische en nano-elektromechanische systemen belemmert de grootschalige introductie van dergelijke apparaten.

Vandaag, wetenschappers bestuderen de mogelijkheid om miniatuur lithium-ionbatterijen te maken, zonnepanelen, brandstofcellen en verschillende soorten condensors. Echter, deze batterijen zijn nog steeds te groot om echt microscopische en nano-achtige systemen te ontwikkelen.

Een andere benadering voor het aandrijven van geavanceerde micro-elektromechanische en nano-elektromechanische systemen is het gebruik van radio-isotoopbatterijen. radio-isotoop of nucleaire of atoombatterijen zetten de energie van radioactief verval van metastabiele elementen (atoomkernen) om in elektriciteit. Deze elementen hebben een hoge energiedichtheid voor hun massa en volume. De duur van aanhoudende energie-emissie varieert, afhankelijk van de keuze van nucliden. Stille radio-isotoopbatterijen kunnen lange tijd zonder storing of onderhoud werken.

Unieke eigenschappen van nikkel-63

Thermo-elektrische conversie wordt gezien als een van de handigste methoden om de energie van radioactief verval om te zetten in elektriciteit. Maar wetenschappers bestuderen ook bèta-voltaïsche batterijen en hun praktische toepassingen. Door een radio-isotoop te installeren die zachte bètastraling uitzendt in een miniatuurbatterij, het is mogelijk om gebruikers en objecten in de buurt te beschermen tegen straling. Daarom, dergelijke batterijen zouden brede toepassingen hebben.

MEPhI-onderzoekers bestudeerden de elektrofysische eigenschappen van nanocluster-nikkelfilm en selecteerden optimale parameters van een experiment met als doel een systeem te creëren voor het effectief omzetten van de energie van het bètaverval van de nikkel-63-isotoop in elektriciteit. De nikkel-63 isotoop behoort tot de meest veelbelovende radionucliden in bèta-voltaïsche processen. Deze zender van zachte bètastraling heeft een lange halfwaardetijd van 100,1 jaar. Bijgevolg, dit unieke element is bij uitstek geschikt voor het aandrijven van verschillende systemen die geen hoge output vereisen.

Elastisch, veerkrachtig, relatief inert en gemakkelijk te bewerken nikkel is qua eigenschappen een effectief metaal. Het hoeft niet in containers te worden opgeslagen en vervoerd. Onderzoekers proberen de efficiëntie te verhogen van de huidige systemen die de energie van het bètaverval van het nikkel-63-element omzetten in elektriciteit en om alternatieve fysieke systemen te vinden. Deze aanpak is veelbelovend.

MEPhI-onderzoekers gebruiken nieuwe benaderingen

Onderzoekers hebben een ongebruikelijk fysiek systeem ontwikkeld om secundaire elektronen te genereren in nanogestructureerde nikkelfilms en om het stroomsignaal, veroorzaakt door een cascade van talrijke niet-elastische botsingen van bètadeeltjes, aanzienlijk te verbeteren. zei Pjotr ​​Borisjoek, een assistent-professor bij de faculteit Fysisch-technische metrologische problemen van MEPhI.

"Het is relatief eenvoudig om een ​​experimenteel systeem te maken dat bestaat uit een reeks dicht opeengepakte nikkel-nanoclusters met de gradiëntverdeling van nanodeeltjes op het oppervlak van siliciumoxide, een breedband diëlektricum, afhankelijk van hun grootte, " hij merkte.

De onderzoekers rapporteren dat de vorming van nikkel-63 nano-clusterfilms met de gradiëntverdeling van nanodeeltjes twee belangrijke processen combineert. Eerst, het wordt mogelijk om coatings te ontwikkelen met een vast potentiaalverschil bepaald door verschillende nanodeeltjesgroottes in een vooraf ingestelde richting. Tweede, het zal de energie van het bètaverval van de nikkel-63-isotoop omzetten in een elektrische stroom zonder extra moeilijk te produceren halfgeleidersystemen te gebruiken.

De unieke eigenschappen van opkomende gradiënt nano-cluster nikkelfilms. radio-isotoop stroombronnen met thermo-elektrische conversie hebben bijna onbeperkte toepassingen. Tiny nuclear batteries could be used for micro-electromechanical and nano-electromechanical systems, pacemakers, miniature glucose sensors and arterial blood pressure monitoring systems, and for controlling remote objects and micro-robots, as well as self-contained systems that can operate for a long time in deep space, beneath the sea and in the extreme north.