Инженеры работают над созданием батарей, способных работать в течение месяцев или даже лет без технического обслуживания в экстремальных условиях, таких как глубины океана и открытый космос. Новая инициатива, поддерживаемая Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA), продвигает технологию, которая может сделать это возможным.
Проект сосредоточен на радиовольтаике — типе батарей, которые преобразуют ядерное излучение непосредственно в электричество. В отличие от традиционных аккумуляторов, эти системы не требуют подзарядки и могут обеспечивать долговременное стабильное питание для удаленных применений.
Исследователи из Университета Толедо участвуют в коллаборации стоимостью 2,8 миллиона долларов под руководством Университета Миссури, целью которой является разработка радиовольтаических устройств микро-масштаба. Эти компактные системы проектируются для использования в буях, космических аппаратах и удаленных датчиках, где замена или подзарядка батарей затруднена. Доктор Рагхав Кханна, представляющий команду, пояснил, что работа ведется в рамках программы DARPA «Rads to Watts», которая исследует новые подходы к прямому преобразованию энергии ядерного излучения в электричество. Поставлена задача достичь выработки 10 ватт электроэнергии на килограмм массы, что указывает на значительно более высокую удельную мощность по сравнению с существующими радиовольтаическими системами.
Принцип работы радиовольтаических элементов схож с солнечными элементами, но вместо солнечного света они полагаются на радиоактивный распад. Если солнечные панели преобразуют фотоны в электричество, то радиовольтаические устройства используют заряженные частицы, испускаемые радиоактивными материалами. Такой подход позволяет батареям функционировать в средах, где солнечный свет недоступен или ненадежен, а также открывает возможности для длительных миссий, требующих бесперебойного питания.
Команда сосредоточена на создании устройств с использованием оксида галлия — полупроводникового материала, который лучше выдерживает радиационное воздействие по сравнению с традиционными альтернативами. Это свойство позволяет повысить эффективность и продлить срок службы. Доктор Кханна отметил, что оксид галлия обладает более высокой радиационной стойкостью, чем некоторые другие материалы, используемые в радиовольтаических устройствах, что дает потенциал для более эффективной и результативной работы, а следовательно, и для более длительного срока эксплуатации.
В Университете Толедо исследователи возглавляют работу по моделированию, которая определит подходы к созданию этих устройств. Используя метод конечных элементов, команда виртуально тестирует различные конструкции, прежде чем перейти к этапу изготовления. Ожидается, что это моделирование сыграет критическую роль в определении структур устройств, способных обеспечить желаемую производительность. После проверки разработанные «рецепты» будут переданы партнерам для физической реализации. Как подчеркнул доктор Кханна, между командами ожидается множество итераций для оптимизации производительности устройства.
В более широкую коллаборацию входят такие партнеры, как Университет штата Пенсильвания, Университет Хьюстона и Военно-морская исследовательская лаборатория, объединяющие экспертизу в области материалов, моделирования и инженерного проектирования устройств. Ставя перед собой цель достичь более высокой удельной мощности и улучшенной долговечности, проект нацелен на то, чтобы продвинуть радиовольтаическую технологию к реальному практическому применению, особенно в сценариях, где традиционные батареи оказываются недостаточно эффективными.