Des chercheurs de l'Université nationale de recherche nucléaire MEPhI (Russie) développent des batteries radio-isotopes bêta-voltaïques avec des films radio-isotopes nano-cluster de nickel-63. Le concept est de développer des batteries nucléaires sûres avec une durée de vie de 100 ans pour les stimulateurs cardiaques, capteurs de glucose miniatures, systèmes de surveillance de la pression artérielle, et pour contrôler des objets distants et des micro-robots, et des systèmes autonomes qui peuvent fonctionner pendant une longue période. Les résultats de la recherche sont publiés dans la revue Lettres de physique appliquée .

Les chercheurs s'intéressent plus que jamais aux projets de développement des nanotechnologies pour miniaturiser les dispositifs technologiques, principalement des systèmes nanoélectroniques. Les dernières réalisations dans la création de systèmes micro-électromécaniques et nano-électromécaniques qui combinent nano-électronique et éléments mécaniques peuvent permettre de développer des physiques microscopiques, capteurs biologiques ou chimiques. Cependant, le manque de piles miniatures pour alimenter les systèmes micro-électromécaniques et nano-électromécaniques entrave l'introduction à grande échelle de tels dispositifs.

Aujourd'hui, les scientifiques étudient la possibilité de créer des batteries lithium-ion miniatures, panneaux solaires, piles à combustible et divers types de condenseurs. Cependant, ces batteries sont encore trop grandes pour développer des systèmes véritablement microscopiques et nanométriques.

Une autre approche pour alimenter les systèmes micro-électromécaniques et nano-électromécaniques avancés est l'utilisation de batteries radio-isotopes. les radio-isotopes ou les batteries nucléaires ou atomiques convertissent l'énergie de la désintégration radioactive des éléments métastables (noyaux atomiques) en électricité. Ces éléments ont des niveaux de densité énergétique élevés pour leur masse et leur volume. La durée d'émission d'énergie soutenue varie, selon le choix des nucléides. Les batteries radio-isotopes silencieuses peuvent fonctionner sans erreur ni maintenance pendant une longue période.

Propriétés uniques du nickel-63

La conversion thermoélectrique est considérée comme l'une des méthodes les plus pratiques pour convertir l'énergie de la désintégration radioactive en électricité. Mais les scientifiques étudient également les batteries bêta-voltaïques et leurs applications pratiques. En installant un radio-isotope qui émet un rayonnement bêta doux dans une batterie miniature, il est possible de protéger les utilisateurs et les objets à proximité des radiations. Par conséquent, de telles batteries auraient des applications très variées.

Les chercheurs du MEPhI ont étudié les propriétés électrophysiques du film de nickel nano-cluster et sélectionné les paramètres optimaux d'une expérience visant à créer un système permettant de convertir efficacement l'énergie de la désintégration bêta de l'isotope nickel-63 en électricité. L'isotope nickel-63 compte parmi les radionucléides les plus prometteurs dans les processus bêta-voltaïques. Cet émetteur de rayonnement bêta mou a une longue demi-vie de 100,1 ans. Par conséquent, cet élément unique est idéalement adapté pour alimenter divers systèmes qui ne nécessitent pas un rendement élevé.

Élastique, résilient, relativement inerte et facile à usiner, le nickel est un métal efficace du point de vue de ses propriétés. Il n'a pas besoin d'être stocké et transporté à l'intérieur de conteneurs. Les chercheurs tentent d'augmenter l'efficacité des systèmes actuels qui convertissent l'énergie de la désintégration bêta de l'élément nickel-63 en électricité et de trouver des systèmes physiques alternatifs. Cette approche est très prometteuse.

Les chercheurs du MEPhI utilisent de nouvelles approches

Les chercheurs ont développé un système physique inhabituel pour générer des électrons secondaires à l'intérieur de films de nickel nanostructurés et pour augmenter considérablement le signal de courant provoqué par une cascade de nombreuses collisions non élastiques de particules bêta, dit Piotr Borisyuk, professeur adjoint à la Faculté des problèmes de métrologie physique et technique du MEPhI.

« Il est relativement facile de créer un système expérimental composé d'un réseau de nano-clusters de nickel densément emballés avec la distribution en gradient de nanoparticules à la surface de l'oxyde de silicium, un diélectrique à large bande, selon leur taille, " il a noté.

Les chercheurs rapportent que la formation de films de nano-cluster de nickel-63 avec la distribution de gradient de nanoparticules combine deux processus importants. D'abord, il devient possible de développer des revêtements avec une différence de potentiel fixe déterminée par différentes tailles de nanoparticules dans une direction prédéfinie. Seconde, il convertira l'énergie de la désintégration bêta de l'isotope nickel-63 en un courant électrique sans utiliser de systèmes semi-conducteurs supplémentaires difficiles à produire.

Les propriétés uniques des films de nickel émergents à nano-cluster à gradient. Les sources d'énergie radio-isotopiques à conversion thermoélectrique ont des applications presque illimitées. Tiny nuclear batteries could be used for micro-electromechanical and nano-electromechanical systems, pacemakers, miniature glucose sensors and arterial blood pressure monitoring systems, and for controlling remote objects and micro-robots, as well as self-contained systems that can operate for a long time in deep space, beneath the sea and in the extreme north.