Почему не делают смартфоны и ноутбуки на атомных батарейках?⁠⁠

Краткий ответ — нет, не появятся.

Атомные батарейки, то есть источники электрического тока, получающие энергию от распада радиоактивных веществ, существуют очень давно, и среди них есть довольно компактные. Их широкому применению мешают не сложности с безопасностью, а стоимость и удельная мощность — первая непозволительно велика, а вторая непрактично мала для потребительской электроники.

Чтобы понять, почему это проблема, рассмотрим возможные способы улавливания и преобразования энергии деления атома. В ходе радиоактивного распада энергия выделяется несколькими путями. Самый очевидный — тепло: делящийся материал может разогреваться сам, а может разогревать окружающие его субстанции за счет торможения в них продуктов распада. Последние представлены альфа- (ядро гелия, два протона и два нейтрона) или бета-частицами (высокоэнергетический электрон или позитрон). Кроме того в результате распада могут излучаться гамма-частицы (высокоэнергетический фотон) и свободные нейтроны.

Для выработки электричества чаще всего используется тепло. Наиболее эффективный способ — испарить воду, которая, расширяясь будет крутить турбину. Теоретически при этом можно перевести до 30-40 процентов тепла в электричество. Но для компактной «батарейки» такой метод не подойдет, нужны способы прямой конвертации — без промежуточного носителя. Так устроены радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи). В них делящийся материал нагревает термопару, которая генерирует электрический ток между двумя разнородными проводниками с отличающейся температурой (эффект Зеебека). Они довольно широко используются в космонавтике, а также на Земле в отдаленных от цивилизации местах. Например, они применялись как элементы питания в советских маяках вдоль Северного морского пути (их было сделано более тысячи штук к концу 1980-х), или в американских долговременных зондах на океаническом дне.

Габариты РИТЭГов могут быть самыми разными. Чаще всего они весят несколько центнеров и обладают электрической мощностью до нескольких сотен ватт. Но существовали даже электрокардиостимуляторы с радиоизотопным питанием. Они не применяются с 1972 года, а их носителей к 2020-му году осталось менее десятка. Проблема таких устройств в очень низкой эффективности — термопары обеспечивают преобразование лишь считаных единиц процентов тепла в электричество. Есть проекты повышения этого показателя вкупе с удешевлением РИТЭГов: либо за счет добавления фотоэлектрических преобразователей (как в солнечных панелях, только для инфракрасного излучения), либо за счет использования двигателей Стирлинга.

Использовать продукты распада напрямую для выработки электричества тоже можно, особенно если они имеют заряд (альфа- и бета-частицы). Способов много, но проблемы все те же: низкая удельная мощность готового устройства из-за необходимости в экранировании, а также из-за низкой эффективности методов преобразования (физика процессов накладывает фундаментальные ограничения). Способов, кстати говоря, так много, что в формате простого ответа на ваш вопрос даже перечислить было бы сложно. Повысить эффективность таких устройств обещают метаматериалы, но прирост эффективности все равно вряд ли превысит десятки процентов.

Что же касается высокой стоимости радиоизотопных источников электричества, то она обусловлена сложностями с выбором делящегося материала. Ведь для этого нужны такие вещества, которые при собственной достаточно высокой активности в процессе распада не будут давать чрезмерно активных продуктов и нейтронов, иначе потребуется еще более мощное экранирование. Да и утилизация такого устройства окажется большой проблемой. Кроме того, гамма-излучатели и источники нейтронов безопасно использовать пока вовсе не получится. Так, в РИТЭГах наиболее часто используются плутоний-238, стронций-90, полоний-210 и америций-241.

Пожалуй, ближе всего к образу «атомной батарейки» для компактной электроники — бетавольтаические тритиевые элементы питания. Они выглядят как этакие золотистые чипы, или похожи на пузатые банковские карточки. Их стоимость колеблется в диапазоне от одной до трех тысяч долларов, и они могут более десятка лет выдавать ток в сотни наноампер при напряжении до 2,4 вольта. Такие элементы питания используются в слаботочных датчиках, где просто распаиваются на плате.

Q&A Naked Science