MADISON - Трое инженеров из Университета Висконсин-Мэдисон придумали новый масштаб ядерной энергии: вместо огромных электростанций, питающих целые города, они представляют крошечные батареи, вращающие один микроскопический механизм.
Чрезвычайно небольшие количества радиоактивного материала уже выполняют функции в детекторах дыма, копировальных аппаратах, кардиостимуляторах и других устройствах. Но исследователи изучают, могут ли даже меньшие количества послужить источником энергии для крошечных экспериментальных машин, строящихся в лабораториях по всему миру.
Профессора ядерной инженерии Джеймс Бланшар и Дуглас Хендерсон вместе с профессором электротехники Амитом Лалом возглавляют трехлетний проект стоимостью 450 000 долларов. Министерство энергетики США, которое рассматривает новые возможности использования ядерной энергии, поддерживает исследования.
Известные как микроэлектромеханические структуры устройств MEMS, они, как правило, меньше ширины человеческого волоса, примерно от 60 до 70 микрон, сказал Бланшар. Из-за своего небольшого размера они могут выполнять чрезвычайно точные функции в таких приложениях, как медицинское оборудование, управление окружающей средой и автомобили.
Наиболее распространенным устройством MEMS является крошечный датчик, который сообщает автоматическим подушкам безопасности, когда раскрываться. Но технология MEMS ограничена отсутствием разумного источника питания, легкого и достаточно мощного для работы такого небольшого устройства.
«В этом масштабе ничего подобного не изучается», - сказал Бланшар. «Ключевым вопросом для нас является размер источника излучения».
Использование чрезвычайно малых количеств радиоактивных материалов в продуктах не ново, сказал Бланшар. Например, детекторы дыма работают с помощью радиоактивного вещества, которое электрически заряжает воздух. Некоторые фотокопировальные устройства используют полоску радиоактивного материала для снятия статического заряда с листов бумаги.
Воздействие радиоактивных материалов опасно по своей природе, и их использование строго регулируется. Но количество материала, необходимого для этих приложений, настолько ничтожно, что не представляет угрозы для безопасности и не требует регулирования, сказал он. Следы радиоактивного материала инкапсулированы, поэтому никто не подвергается воздействию радиации.
Идея состоит в том, чтобы использовать естественный распад радиоактивного материала и преобразовать его в источник энергии без использования реакции, такой как деление или синтез, сказал Бланшар. По его словам, при надежном хранении материала внутри устройства большая его часть разложится до того, как покинет продукт.
«Мы собирали энергию этого распада и преобразовывали ее в источник энергии, который мог бы управлять датчиком или крошечной движущейся частью», - сказал Бланшар..
Энергия может быть либо в виде тепла, либо в виде заряженных частиц, и то, и другое может генерироваться в достаточном количестве, чтобы быть полезным в крошечном масштабе. Бланшар сказал, что альфа- и бета-частицы генерируют высокое напряжение.
Лал, который создает устройства MEMS, сказал, что микромашины могут найти гораздо больше применений, как только будет решена проблема с питанием. Технология была остановлена практическим отсутствием источников энергии, которые могли бы эффективно питать что-то такое крошечное. «Вы бы создали набор приложений, которые никогда не были возможны», - сказал он.
Например, батареи MEMS можно использовать в качестве источников питания для небольших портативных вычислительных устройств или микролабораторий. Датчики могут быть разработаны для распознавания «признаков» газов химических заводов или нефтепроводов, чтобы заранее предупреждать об утечках. Его также можно использовать в сети датчиков с автономным питанием для защиты от химического оружия. Крошечные датчики также можно смешивать прямо со смазкой тяжелой техники, чтобы определить, когда требуется техническое обслуживание.
"Самое большое влияние может быть достигнуто в том, чтобы сделать повседневные системы более надежными, безопасными и умными за счет интеграции этих сенсорных систем", - сказал Лал.
Проект является частью Образовательных исследований в области ядерной инженерии (NEER) Министерства энергетики, которое в основном финансирует университетские проекты в области ядерного деления и других применений излучения. Это часть небольшой категории финансирования, которая поощряет потенциальное альтернативное использование ядерной энергии.