Ovo će omogućiti izradu bezopasnih nuklearnih baterija koje će trajati 100 godina — za pejsmejkere, minijaturne merače šećera ili krvnog pritiska, za daljinske sisteme telemetrije objekata, mikro-robote, te uređaje trajnog autonomnog rada – saopštava pres-služba Univerziteta.
Rezultati istraživanja su objavljeni u časopisu Aplajd fiziks leters.
Problem minijaturizacije
Danas istraživanja karakteristika nanoobjekata izazivaju povećano interesovanje stručnjaka zbog trenda minijaturizacije tehničkih uređaja, posebno u sferi nanoelektronike. Savremena dostignuća u oblasti izrade mikro i nano elektromehaničkih sistema (MEMS i NEMS), koja ujedinjuju u jednom uređaju nanoelektroniku i mehaničke komponente, kao što su pogoni, pumpe ili motori, mogu da postanu perspektivna za izradu mikrofizičkih, bioloških ili hemijskih senzora.
Međutim, masovnoj implementaciji ovakvih uređaja smeta odsustvo minijaturnih izvora napajanja za snabdevanje električnom energijom mikroelektromehaničkih i nanoelektromehaničkih sistema.
Danas naučnici aktivno istražuju mogućnost minijaturizacije uobičajenih litijum-ionskih baterija, solarnih baterija, gorivnih ćelija i svih mogućih vrsta kondenzatora. Međutim, dimenzije takvih izvora napajanja još uvek su prevelike za izradu stvarno mikro i nano sistema.
Drugačiji pristup problemu napajanja savremenih i perspektivnih MEMS i NEMS je povean sa primenom radioizotopskih baterija.
Radioizotopske, odnosno nuklearne baterije su izvori električne struje u kojim se energija radioaktivnog raspada metastabilnih elemenata – atomskih jezgra – pretvara u električnu energiju. Karakterišu se većom gustinom energije za jedinicu mase i obima. Vreme stabilnog izdvajanja energije se varira u širokom dijapazonu, u zavisnosti od vrste nuklida. Radioizotopske baterije mogu da rade trajno i stabilno, ne zahtevaju održavanje, bešumne su.
Unikatna svojstva nikla 63
Sada se jednim od najkraćih puteva pretvaranja energije nuklearnog raspada u električnu energiju smatra termoelektrično pretvaranje. Međutim, naučnici aktivno istražuju i betavoltaičke izvore napajanja koji su vrlo interesantni za praktičnu primenu. Stvar je u tome da pri korišćenju u minijaturnom izvoru napajanja radioizotopa koji emituju blago beta-zračenje, može se lako napraviti sistem fizičke zaštite korisnika i objekata u okolini od radijacije. Zato se takvi izvori napajanja smatraju perspektivnim za civilnu upotrebu.
Naučnici NINU MIFI proučili su elektrofizička svojstva nanoklasterskog filma nikla i odredili optimalne parametre eksperimenta za izradu efikasnog pretvarača energije beta raspada nikla 63 u električnu energiju.
Radioizotop nikl 63 jedan je od perspektivnijih radionuklida u betavoltaici. Ovo je blaži beta-izračivač s trajnim vremenom poluraspada od 100,1 godina. Zato je nikl 63 unikatni elemenat koji je pogodan za trajno napajanje sistema koji ne zahtevaju visoku energetsku potrošnju.
Sa aspekta materijala, nikl je takođe dosta dobar metal, koji je plastičan, relativno inertan, lako se obrađuje, pri radu sa njim nije potreban kontejner za transport i čuvanje.
Prema rečima naučnika, povećanje efikasnosti postojećih pretvarača energije beta-raspada nikla 63 u električnu energiju te pronalaženje alternativnih fizičkih sistema su veoma perspektivni zadaci savremene nauke.
Novi pristupi naučnika NINU MIFI
Istraživači su napravili originalni fizički sistem koji dozvoljava da se izvrši efikasnu generaciju sekundarnih elektrona direktno unutar nanostrukturisanih slojeva nikla i značajno poveća strujni signal izazvan kaskadom višekratnih neelastičnih sudara beta-čestica, — saopštio je docent katedre fizičko-tehničkih problema metrologije Instituta laserskih i plazmenih tehnologija NINU MIFI Petar Borisjuk.
„Ovaj sistem je relativno jednostavan sa tačke gledišta eksperimentalne realizacije i predstavlja kombinaciju čvrsto pakovanih nanoklastera nikla uz gradijentno raspoređivanje nano čestica prema dimenzijama, a koje se talože na površini širokozonskog dielektrika – silicijum dioksida“, ispričao je naučnik.
Tokom istraživanja naučnici su zaključili da formiranje nano klasterskih slojeva nikla 63 uz gradijentno raspoređivanje nanočestica prema dimenzijama pruža unikatnu mogućnost kombinovati dva važna procesa. Prvo, može se formirati površine sa fiksnom razlikom potencijala koja se određuje razlikom dimenzija nanočestica u određenom pravcu. Drugo, može se vršiti pretvaranje energije beta-raspada nikla 63 u tok elektrona, ne koristeći dodatne komplikovane u realizaciji poluprovodne sisteme.
Rezultati koji su dobili naučnici potvrđuju da formirane gradijentne nanoklasterske folije nikla imaju unikatna svojstva. Oblast primene radioizotopskih izvora napajanja sa termoelektričnim pretvaranjem praktino je bezgranična. Prostire od nuklearnih baterija vrlo malih dimenzija za napajanje mikro i nano elektromehaničkih sistema do pejsmejkera, minijaturnih merača šećera ili krvnog pritiska, za sisteme telemetrije objekata udaljenih od infrastrukture, za mikrorobote različite specijalizacije i namene, te uređaje za trajni autonomni rad u dalekom svemiru, na velikim dubinama i u rejonima Krajnjeg Severa.
Istraživanje naučnika NINU MIFI se vršilo u okviru granta Ruskog naučnog fonda.