eng
Просмотры: 2856
21.08.2020
Учёные из НИТУ «МИСиС» сообщили о развитии автономного элемента питания – компактной атомной батарейки со сроком службы не менее 20 лет. Инновация устройства состоит в оригинальной 3D-структуре бетавольтаического элемента и улучшенных характеристиках.
За основу конструкции улучшенного источника питания взята оригинальная, запатентованная микроканальная 3D-структура никелевого бетавольтаического элемента. В результате, характеристики атомной батарейки значительно улучшились по сравнению с предыдущей версией. А именно:
Принцип работы атомной батарейки
Бетавольтаическая батарейка преобразует энергию бета-излучения в электричество с помощью монокристаллов пьезоэлектриков (используются преобразователи оригинальной конструкции). Бета-частицы (электроны или позитроны) ионизируют атомы полупроводника и создают неравновесные носители зарядов, которые при наличии статического поля барьерной p-n структуры упорядоченно движутся, создавая электрический ток. Таков принцип работы бетавольтаических элементов.
NB! Заметим, что бетавольтаические батарейки не следует путать с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (РИТЭГ), которые тоже иногда называют ядерными батареями. В РИТЭГах за счет энергии радиоактивного распада создается нагрев для создания потока тепла с дальнейшим преобразованием в электрический ток при помощи термоэлектрических элементов. Эффективность радиоизотопных термоэлектрических генераторов зависит от температуры и составляет лишь несколько процентов. Однако они широко используются для питания космических аппаратов за счет своей долговечности и простого устройства. РИТЭГами оснащены, например, зонд New Horizons и марсоход Perseverance.
Особенность 3D-бетавольтаического элемента
Радиоактивный элемент наносится с двух сторон так называемого планарного p-n перехода, что позволяет упростить технологию изготовления элемента, а также контролировать обратный ток с целью предотвратить потерю мощности. Особая микроканальная структура обеспечивает увеличение эффективной площади преобразования бета-излучения в 14 раз, что в результате дает общее увеличение тока. Используемый изотоп никеля (никель-63) обладает так называемым «мягким» излучением, поэтому он безопасен для человека.
Сфера применения и конкурентоспособность
Потенциальная область применения батарейки на основе бетавольтаических элементов (БВЭ)– приборы, работающие при сверхнизких температурах в космосе, под водой и в высокогорных районах. Размеры батарейки позволяют использовать ее для питания микроэлектроники и сопоставимы с зарубежными аналогами. При этом стоимость ее в 2 раза экономичнее при большей производительности. Разработчики подразумевает несколько вариантов применения этого «микрореактора»:
Признание мировым сообществом
По мнению экспертов из международного агентства маркетинговых исследований Research and Markets БВЭ имеет большой потенциал, так как потребности в надежных элементах питания с длительным сроком службы растут во всех отраслях промышленности. С учетом компактных габаритов и безопасности БВЭ, разработка НИТУ «МИСиС», как одного из ключевых участников мирового рынка бетавольтаическиъх батарей, сможет занять существенную долю рынка источников питания, отметили аналитики. На текущий момент завершается процесс получения международного патента на изобретение.
Результаты изысканий исследователей из НИТУ «МИСиС» в сфере бетавольтаических элементов, взятых за основу для дальнейшего развития атомной батарейки, опубликованы в журнале Applied Radiation and Isotopes в статье “Development of betavoltaic cell technology production based on microchannel silicon and its electrical parameters evaluation” .
В статье “A nuclear battery based on silicon p-i-n structures with electroplating 63Ni layer”, опубликованном в журнале Nuclear Engineering and Technology, исследователи из МИСиС продолжают развивать концепцию атомной батарейки и рассматривают два типа бетавольтаических элементов: с внешним источником никеля-63 и внутренним элементом покрытым никелем-63.
Если вам интересна тема использования ядерной энергии, обратите внимание на книгу «Ядерное топливо с покрытием» из серии «Мир энергетики».
- В 3 раза уменьшились размеры;
- В 10 раз увеличилась удельная мощность;
- На 50% сократилась себестоимость.
Принцип работы атомной батарейки
Бетавольтаическая батарейка преобразует энергию бета-излучения в электричество с помощью монокристаллов пьезоэлектриков (используются преобразователи оригинальной конструкции). Бета-частицы (электроны или позитроны) ионизируют атомы полупроводника и создают неравновесные носители зарядов, которые при наличии статического поля барьерной p-n структуры упорядоченно движутся, создавая электрический ток. Таков принцип работы бетавольтаических элементов.
NB! Заметим, что бетавольтаические батарейки не следует путать с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (РИТЭГ), которые тоже иногда называют ядерными батареями. В РИТЭГах за счет энергии радиоактивного распада создается нагрев для создания потока тепла с дальнейшим преобразованием в электрический ток при помощи термоэлектрических элементов. Эффективность радиоизотопных термоэлектрических генераторов зависит от температуры и составляет лишь несколько процентов. Однако они широко используются для питания космических аппаратов за счет своей долговечности и простого устройства. РИТЭГами оснащены, например, зонд New Horizons и марсоход Perseverance.
Особенность 3D-бетавольтаического элемента
Бетавольтаическая батарейка МИСиС
Радиоактивный элемент наносится с двух сторон так называемого планарного p-n перехода, что позволяет упростить технологию изготовления элемента, а также контролировать обратный ток с целью предотвратить потерю мощности. Особая микроканальная структура обеспечивает увеличение эффективной площади преобразования бета-излучения в 14 раз, что в результате дает общее увеличение тока. Используемый изотоп никеля (никель-63) обладает так называемым «мягким» излучением, поэтому он безопасен для человека.
«Выходные электрические параметры предложенной конструкции составили: ток короткого замыкания IКЗ — 230 нА/см2 (в обычной планарной — 24 нА), итоговая мощность — 31нВт/см2, (в планарной — 3нВт). Конструкция позволяет на порядок повысить эффективность преобразования энергии, выделяющейся при распаде β-источника, в электроэнергию, что в перспективе снизит себестоимость источника примерно на 50% за счет рационального расходования дорогостоящего радиоизотопа, — рассказал один из разработчиков Сергей Леготин, доцент кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников НИТУ «МИСиС».
Разработчики бетавольтаической батарейки - молодые ученые из МИСиС Андрей Краснов и Сергей Леготин
Сфера применения и конкурентоспособность
Применение бетавольтаической батарейки
Потенциальная область применения батарейки на основе бетавольтаических элементов (БВЭ)– приборы, работающие при сверхнизких температурах в космосе, под водой и в высокогорных районах. Размеры батарейки позволяют использовать ее для питания микроэлектроники и сопоставимы с зарубежными аналогами. При этом стоимость ее в 2 раза экономичнее при большей производительности. Разработчики подразумевает несколько вариантов применения этого «микрореактора»:
- Аварийный источник питания;
- Датчик температуры в устройствах, эксплуатируемых при экстремальных температурах или условиях.
Признание мировым сообществом
По мнению экспертов из международного агентства маркетинговых исследований Research and Markets БВЭ имеет большой потенциал, так как потребности в надежных элементах питания с длительным сроком службы растут во всех отраслях промышленности. С учетом компактных габаритов и безопасности БВЭ, разработка НИТУ «МИСиС», как одного из ключевых участников мирового рынка бетавольтаическиъх батарей, сможет занять существенную долю рынка источников питания, отметили аналитики. На текущий момент завершается процесс получения международного патента на изобретение.
Результаты изысканий исследователей из НИТУ «МИСиС» в сфере бетавольтаических элементов, взятых за основу для дальнейшего развития атомной батарейки, опубликованы в журнале Applied Radiation and Isotopes в статье “Development of betavoltaic cell technology production based on microchannel silicon and its electrical parameters evaluation” .
Бетавольтаическая батарейка МИСиС
В статье “A nuclear battery based on silicon p-i-n structures with electroplating 63Ni layer”, опубликованном в журнале Nuclear Engineering and Technology, исследователи из МИСиС продолжают развивать концепцию атомной батарейки и рассматривают два типа бетавольтаических элементов: с внешним источником никеля-63 и внутренним элементом покрытым никелем-63.
Если вам интересна тема использования ядерной энергии, обратите внимание на книгу «Ядерное топливо с покрытием» из серии «Мир энергетики».
©РИЦ ТЕХНОСФЕРА по материалам пресс-службы НИТУ «МИСиС». При копировании материала обязательно указывайте ссылку на источник
Комментарии читателей
