В МИФИ разрабатывают модель миниатюрного атомного источника питания

Исследования свойств наноразмерных объектов вызывают в настоящее время повышенный интерес ввиду растущей тенденции к миниатюризации, 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 перспективны для использования в качестве микроскопических физических, биологических или химических датчиков. Одним из сдерживающих факторов массового внедрения подобных устройств является проблема создания миниатюрных источников питания для энергообеспечения МЭМС и НЭМС.

На сегодняшний день активно исследуется возможность миниатюризации достаточно привычных литий-ионных батарей, солнечных батарей, топливных ячеек и всевозможных типов конденсаторов. Однако латеральные размеры подобных источников питания не позволяют говорить о создании действительно микро- и наноразмерных систем.

Другим подходом к проблеме обеспечения питания современных и перспективных МЭМС и НЭМС являются радиоизотопные батареи. Радиоизотопные, они же ядерные, они же атомные батареи – это источники тока, в которых энергия радиоактивного распада метастабильных элементов – атомных ядер - преобразуется в электричество. Большая плотность энергии на единицу массы и объема, а также варьируемый в широких пределах подбором нуклида период стабильного энерговыделения определяют область применения ядерных батарей.

Проблема создания радиоизотопных батарей для МЭМС и НЭМС состоит из двух задач. Первой является создание собственно радиоизотопного источника микронных размеров. В настоящее время термоэлектрическое преобразование общепризнано одной из самых коротких цепочек преобразования энергии ядерного распада в электрическую, и соответственно, потенциально имеет меньшее количество источников энергетических потерь. Отсюда возникает вторая задача по проблеме исследований - создание высокоэффективного термоэлектрического материала для преобразования энергии ядерного распада в электрическую. Мировая тенденция решения этой задачи на данный момент основана на использовании наноструктурированных материалов.

На кафедре физико-технических проблем метрологии НИЯУ МИФИ уже накоплен большой опыт по исследованию металлических нанокластеров с использованием различных экспериментальных методик и численного моделирования. Грант Российского Научного Фонда позволит нашим ученым продолжить исследования в этом направлении и использовать результаты для создания высокоэффективного термоэлектрического материала на основе наноструктурированной пленки, состоящей из наноразмерных кластеров металлов (~1 нм). В такой структуре отсутствует фононная передача тепла, так как фононы заперты внутри наноразмерных металлических кластеров, а в образце сохраняется близкая к металлической электронная проводимость, которая обеспечивается перколяционными эффектами.

Рисунок 1. Разрабатываемая учеными МИФИ модель миниатюрного радиоизотопного источника питания на основе: (I) – радиоизотопный источник микронных размеров на примере Th-228; (II) – термоэлектрический элемент на основе наноструктурированной пленки, состоящей из нанокластеров золота

На основе наноструктурированной пленки, содержащей наноразмерные кластеры металла, будут созданы и изучены высокоэффективные термоэлектрические преобразователи энергии альфа- и бета-распада радиоактивных ядер в электричество.

Ожидается, что такие термоэлектрические преобразователи будут обладать не имеющей аналогов в мире рекордно высокой термо-ЭДС, смогут на порядок превзойти термо-ЭДС обычных термоэлементов.

Область применения радиоизотопных источников с термоэлектрическим преобразованием практически безгранична. Она простирается от ядерных батарей сверхмалых размеров для питания микро- и нано-электромеханических систем до кардиостимуляторов, микро-роботов различной специализации и назначения, а также устройств для длительной автономной работы в дальнем космосе, на больших глубинах, районах крайнего севера

.