Разработваният от учените на МИФИ модел на миниатюрен радиоизотопен захранващ източник се състои от: (I) – радиоизотопен източник с микронни размери, например на базата на Th228; (II) – термоелектрически елемент на основата наноструктурен слой, състоящ се от наноклъстери злато.
Изследването на свойствата на наноразмерните обекти предизвиква повишен интерес предвид растящата тенденция към миниатюризация, особено в областта на наноелектрониката.
Съвременно състояние
Съвременните постижения в сферата на създаването на микро и нано електромеханични системи (МиН ЕМС), които да обединяват в едно устройство наноелектроника и механични елементи (приводи, помпи или двигатели), могат да бъдат перспективни като микроскопични физически, биологични или химични датчици.
Задържащите фактори
Един от задържащите фактори за масово внедряване на подобни устройства се явява проблемът за създаване на миниатюрни източници за захранването им.
Сега активно се изследва възможността за миниатюризиране на добре познатите литий-йонни батерии, слънчевите батерии, горивните клетки и всевъзможните типове кондензатори. Обаче геометричните размери на подобните източници за захранване не позволяват да се говори за създаване на действително микро и наноразмерни системи.
Старото/ново решение
Другият подход към проблема за осигуряване захранване на съвременните перспективни МиН ЕМС са радиоизотопните батерии.
Радиоизотопните, наричани още ядрени или атомни батерии – това са източници на електроенергия, в които енергията на радиоактивния разпад на метастабилните елементи – атомните ядра – се преобразува в електричество.
Голямата плътност на енергията на единица маса и обем, а също и вариращият в широки граници чрез подбор на радионуклида период на стабилно енергоотделяне определят областта на приложение на ядрените батерии.
Основните задачи за решаване
Две задачи стоят в основата за създаването на радиоизотопни батерии за МиН ЕМС.
Първата е създаването на самия източник с микронни размери. Сега термоелектричното преобразуване е общопризнато като един от най-кратките пътища за преобразуване на енергията от ядрения разпад в електрическа. Съответно, потенциално има по-малко възможности за електрически загуби.
Оттук възниква втората задача – създаване на високоефективен термоелктричен материал за преобразуване на енергията на ядрения разпад в електрическа. Сега световната тенденция за решаване на тази задача е чрез използване на наноструктурирани материали.
Държавата отпуска грант за изследване на проблема
В катедрата по физико-технически проблеми на метрологията към НИЯУ МИФИ е натрупан голям опит по изследване на метални наноклъстери с използване на различни експериментални методи и цифрово моделиране. Грант от Руския Научен Фонд ще позволи на учените да продължат изследванията в това направление и да използват резултатите за създаване на високоефективен термоелектричен материал на базата наноструктуриран слой, състоящ се от наноразмерни метални клъстери (~1 nm).
Очакваният ефект
В такава структура няма фононо предаване на топлина, защото фононите са затворени в наноразмерните метални клъстери, а в образеца се запазва близка към металната електронна проводимост, която се осигурява от ефектите на проникване (percolation).
На базата на наноструктурирания слой, съдържащ наноразмерни метални клъстери, ще бъдат създадени и изучени високоефективни преобразуватели на енергията от алфа и бета разпада на радиоактивните ядра в електричество.
Очаква се, че такива термоелектрически преобразуватели ще притежават рекордновисока термо-ЕДС, която ще превишава 10 пъти термо-ЕДС на обикновените термоелементи.
Областите на приложение
Областта на използване на радиоизотопните източници с термоелектрическо преобразуване е практически безгранична. Тя се простира от ядрените батерии със свръх-малки размери за захранване на микро и нано електромеханични системи до кардиостимулаторите, микро-роботите с различна специализация и предназначение. Също така и в устройства за продължителна автономна работа в далечния космос, на големи дълбочини и в районите на крайния север.
