Ученые из Корейского института передовых наук и технологий предложили новый тип ядерной батареи, в которой энергия бета-распада сначала превращается в электромагнитные волны, а уже затем – в электричество. В отличие от традиционных радиоизотопных источников энергии, таких как термоэлектрические генераторы или бета-вольтаические элементы, новая установка, получившая название «радиоизотопный циклотронный генератор», не ограничена жестким физическим пределом эффективности. За счет этого она потенциально может работать дольше и эффективнее при тех же ресурсах, что особенно важно для космической техники и автономных систем.
В обычных бета-батареях электроны, вылетающие из радиоактивного материала, попадают в полупроводник и создают электрический ток. Но такой процесс ограничен по КПД – примерно 35%. Корейские исследователи пошли другим путем: вместо того, чтобы «тормозить» электроны в материале, они решили использовать их движение. Частицы поместили в магнитное поле, где они начинали вращаться по спирали — и в этот момент сами излучали энергию в виде радиоволн (так называемое циклотронное излучение).
Главной трудностью оказалось удержать эти электроны внутри устройства. Простые магнитные ловушки здесь не подходили, так как значительная часть частиц уходила наружу. Поэтому ученые использовали более продвинутую схему – ловушку Пеннинга-Мальмберга. В ней магнитное поле удерживает электроны по радиусу, а электрическое – вдоль оси. В результате получается почти замкнутая система, где электроны долго остаются внутри и постепенно отдают энергию. Вся конструкция помещена в резонатор – металлическую камеру, настроенную на частоту излучения около 28 ГГц.
Затем исследователи создали собственную компьютерную модель. Обычные программы для плазмы не учитывают потери энергии на излучение, потому что в большинстве случаев они незначительны. Здесь же это был ключевой эффект. Поэтому ученые разработали специальный расчетный код, который позволяет отслеживать движение частиц и их излучение. Дополнительно они смоделировали, как возникающие электромагнитные волны можно собрать и преобразовать в электричество с помощью антенны и схемы.
Расчеты показали, что при оптимальных параметрах (напряжении около 90 кВ и резонаторе размера около 1 см) теоретический КПД достигает 34,4%. Это сопоставимо с лучшими существующими решениями, но с важным отличием: здесь нет жесткого физического потолка, который ограничивает дальнейший рост эффективности. При этом модель показала, что конструкция способна выдерживать такие напряжения: уровни электрического поля остаются в пределах допустимого для металлов и изоляторов.
До реального применения, впрочем, еще есть дистанция. Нужно научиться делать сверхтонкие радиоактивные источники, поддерживать стабильный вакуум и повысить эффективность преобразования радиоволн в электричество – сейчас она заметно ниже, чем в идеальной модели. Тем не менее сама концепция выглядит перспективной. Она позволяет создать компактные источники энергии без движущихся частей и высоких температур, которые могут работать десятилетиями, например, в космосе или под водой.
