Бетавольтаика

Бетавольтаика получает электрический ток из бета-распада. Радиоактивный препарат испускает электроны; они попадают на полупроводник и порождают там пары носителей заряда, которые утекают в виде тока.

Принцип похож на фотовольтаику — только падает не свет, а бета-излучение. И это лучшая противоположность нейтриновольтаике, потому что обе обещают одно и то же и при этом действуют совершенно по-разному.

Как устроен бетавольтаический элемент

Достаточно трёх частей: источника, полупроводника и контактов.

Источником служат нуклиды, которые являются чистыми или почти чистыми бета-излучателями и излучение которых легко экранировать:

Электроны несут энергии в диапазоне нескольких килоэлектронвольт. Этого достаточно мало, чтобы тонкая оболочка или сам корпус удерживали излучение — в отличие от гамма-излучателей, которые требуют тяжёлого экранирования.

У трития хватает уже листа бумаги. Такой элемент снаружи безобиден; опасным было бы единственно попадание материала в тело.

Что она даёт — и чего не даёт

Решающая величина — плотность мощности, и она мала. Бетавольтаический элемент даёт обычно от микроватт до милливатт. КПД лежит чаще всего в низком однозначном процентном диапазоне.

Причина принципиальна: препарат отдаёт лишь столько энергии, сколько даёт его распад, и чем длиннее период полураспада, тем меньше за единицу времени. Долгий срок службы и высокая мощность исключают друг друга.

Тем самым область применения ясно очерчена. Бетавольтаический элемент не приводит в движение никакой мотор и не заряжает никакой телефон. Он питает вещи, которым нужно очень мало и которые должны выдерживать очень долго:

• Модули памяти, которые должны сохранять своё содержимое десятилетиями
• Датчики в местах, куда никто больше не приходит
• Кардиостимуляторы — в 1970-е годы элементы с прометием-147 действительно имплантировались, прежде чем их сменила литиевая батарея
• Космонавтика и военная техника с очень долгим сроком службы

Преимущество — длительность. Элемент с никелем-63 через сто лет имеет ещё половину мощности. Ни одна химическая батарея близко к этому не подходит.

История и современность

Первые элементы возникли в 1950-е годы. В 1970-е с Betacel на рынок вышел кардиостимулятор, годами обходившийся без замены, — пока литиевая батарея не стала дешевле и проще.

Сегодня существуют коммерческие тритиевые элементы для нишевых применений. В 2024 году китайское предприятие объявило об элементе с никелем-63 в формате монеты, который должен давать микроватты на протяжении десятилетий. Такие объявления следует читать с обычной сдержанностью — физика за ними устоявшаяся, класс мощности от этого не меняется.

Отграничение от нейтриновольтаики

Различие принципиально.

Бетавольтаика несёт своё топливо с собой. В приборе находится радиоактивный препарат, который расходуется, который надо разрешать и утилизировать и количество которого ограничивает мощность.

Нейтриновольтаика по изложению Neutrino® Energy Group не содержит радиоактивного материала. Она хочет получать энергию из потоков, которые и так проходят сквозь любой предмет, — нейтрино, космических мюонов, электромагнитных колебаний, тепловых флуктуаций. Деталь в этой картине не расходуется, потому что не несёт с собой ничего, что могло бы израсходоваться.

И порядки величин различаются значительно. Бетавольтаика — подтверждённая, коммерчески доступная техника с очень малой мощностью. Для нейтриновольтаики группа называет заметно большие цели — примерно от 1 до 1,5 киловатта у Life Cube — и обозначает эти значения прямо как проектные цели в разработке.

Что их объединяет

Обе вступают там, где солнца и ветра не хватает: в темноте, под землёй, внутри приборов, в местах без обслуживания. И обе строятся на одной и той же основной мысли — что энергия, которая и так имеется, не должна оставаться неиспользованной.

Родственные понятия

• Бета-распад — лежащий в основе процесс
• Нейтриновольтаика — подход без препарата
• Сбор энергии — вышестоящая область
• Термоэлектричество — третий путь к электричеству без обслуживания

Источники

• Particle Data Group и карта нуклидов МАГАТЭ: периоды полураспада и энергии распада.
• Neutrino® Energy Group: Energy Harvesting, neutrino-energy.com.