Физик Андрей Брацук: «Ядерные батареи — это будущее электроники»

— Как бы ты в нескольких предложениях и максимально просто описал то, чем ты занимаешься?

— Наша команда занимаемся созданием ядерных батарей. Это так называемые бетавольтаические элементы питания — компактные системы, которые преобразуют энергию радиоактивного распада в электричество. Они могут работать на протяжении нескольких десятилетий.

Батарея состоит из нескольких основных элементов, один из которых — это радиоизотоп. Находясь в обычном состоянии, он испускает невидимые глазу частицы, имеющие свою массу, энергию. Энергию этих частиц можно превратить в электричество с помощью другого элемента, который тоже входит в состав батареи — полупроводникового преобразователя.

Ядерную батарею можно представить в виде многослойного бутерброда, в котором чередуются слои из радиоизотопа и полупроводника. Одна из главных задач при создании такой батареи — сконструировать ее таким образом, чтобы полупроводник максимально эффективно преобразовывал энергию испускаемых частиц от радиоизотопа.

— И где могут быть нужны такие батареи?

— В первую очередь в маломощных устройствах, разрабатываемых для нужд передовой промышленности. Например, в устройствах электронной техники. Особенно актуально это для устройств, которые должны бесперебойно работать в экстремальных условиях — вне Земли, в Арктике или под водой.

Допустим, если целевому устройству категорически важно не сойти с траектории, в случае аварийного режима ядерная батарея может выступать в качестве резервного источника питания.

— О каких мощностях в таких батареях идет речь?

— Здесь идет речь о нескольких единиц-десятков микроватт на кубический сантиметр. Это почти в миллион раз меньше, чем требуется для обеспечения энергопитания мобильного телефона.

Например, некоторое время назад к нам обратился потенциальный заказчик, который попросил создать ядерную батарею, работающую в импульсном режиме и генерирующую порядок мощности милливаттного значения. И мы с коллегами из Ульяновского государственного университета сделали такую батарею с применением уникального материала — карбида кремния. На одном бетавольтаическом элементе из карбида кремния мы зафиксировали напряжение в 2 вольта при силе тока в 30 наноампер.

Это уникальное достижение, потому что до этого США, Япония, Китай проводили только теоретические расчеты, которые позволяли получить подобные значения. Но до нас никто не сумел достичь этих значений на практике.

— Можешь подробнее рассказать, в чем уникальность этого достижения?

— Известные значения, которые генерируются перспективными единичными бетавольтаическими элементами — это порядка 1 вольт и порядка 15–20 наноампер. Это то, что можно получить на кристалле размером 1 на 1 кв. см. Мы же с помощью карбида кремния смогли достичь в два раза больших значений по напряжению и в полтора раза — по силе тока.

Однако особенность технологии заключается в том, что если мы скоммутируем параллельно, к примеру, 100 таких одинаковых кристаллов, то получим силу тока порядка 3 микроампера, а напряжение сохранится при этом на уровне 2 вольт. Собирая эти элементы параллельно или последовательно, мы сможем получать разные комбинации по напряжению и току, выбор значений которых будет зависеть от конкретной задачи.

Сейчас в маломощных устройствах передовой промышленности в большинстве своем требуются тысячи микроватт. Мы же обеспечиваем несколько единиц микроватт на кубический сантиметр. Однако с каждым днем в этой сфере идет тенденция к снижению потребляемой мощности. И мы к этой мощности будем приближаться — где-то до сотен микроватт должны пересечься. Так что ядерные батареи — это будущее электроники.

— Правильно ли я понимаю, что если кто-то решит осуществить путешествие за пределы нашей галактики, то использование ядерных батарей позволит ему гарантированно долететь настолько далеко, насколько это возможно?

— В общем и целом да. Ядерные батареи точно не дадут сбиться с траектории, они обеспечат бесперебойное питание ответственных изделий блоков управления. Это значит, что в аварийном режиме при переключении основных источников питания на резервные не будет паузы. Даже микросекунда может отклонить курс системы на сотые доли градусов, и этого хватит, чтобы поставить под угрозу всю кампанию.

— Давай вернемся в самое-самое начало. Как и почему ты решил заняться наукой?

— Я родился и вырос в городе Саянске Иркутской области. Интерес к различным элементам питания у меня был с самого детства. Я любил собирать электрические схемы, чтобы завести игрушечные автомобили, сделать им лампочки, переключатели, моторчики, чтобы они ездили. Уже в младшей школе мне нравились предметы технической направленности: математика и информатика. Позднее проявился интерес к физике и химии.

Любовь ко всем этим предметам фактически определила мою дальнейшую специализацию — материаловедение. В старшей школе я попал в Росатом-класс ангарского лицея № 2. Там и решил, что буду поступать в головной вуз атомной отрасли — НИЯУ МИФИ. Вообще я подавал документы в пять вузов, но МИФИ стал первым, кто откликнулся — я не стал раздумывать над предложением и поехал в Москву.

В процессе учебы я решил писать диплом в АО «НИИ НПО «ЛУЧ». Сначала попал в лабораторию, которая разрабатывала катоды для рентгеновских трубок. А спустя несколько лет решил присоединиться к группе, которая занималась созданием ядерных батарей. Здесь уже я защитил свою кандидатскую диссертацию, которая была посвящена использованию в бетавольтаических элементах наноструктурированного диоксида титана.

— Ого, а это что еще за технология?

— Это материал, который образуется анодированием (известным методом обработки, в результате которого на металле образуется оксидная пленка) титана. При определенном составе электролита мы можем получить диоксид, имеющий уникальную наноструктуру, например, в виде нанопор или нанотрубок, диаметр которых составляет порядка 100 нанометров. Использование такой поверхности позволяет увеличить рабочую площадь полупроводникового преобразователя, и, следовательно, силу тока, генерируемого им при совмещении с радиоизотопом.

Мы проводили расчеты, которые показали, что если взять планарный (проще говоря, плоский или 2D) и наноструктурированный (3D) диоксид титана, то у последнего теоретически максимальная сила тока будет больше примерно в тысячу раз, поскольку будет работать каждый наноканал, заполненный радиоизотопом, который можно считать единичным бетавольтаическим элементом. И на относительно небольшой площади вы сможете организовать сотни или даже тысячи таких наноканалов. Однако это одна из технических задач, которая пока не решена.

— Как ты расслабляешь мозг от работы в свободное время? Чем занимаешься?

— Вообще в каждом отпуске я путешествую по России. Из последнего особенно понравилось в Бурятии. А так люблю прогуляться по паркам. Иногда с коллегами выбираемся покататься на велосипедах по городу.

Моя мечта — посетить вообще все парки, которые есть в Москве и Подмосковье. Прогулки как раз снимают нервное напряжение, очищают голову, заряжают и дают настрой на рабочую неделю. Особенно хорошо это помогало мне перед защитой диссертации.

— Так, блиц: топ-3 любимых парка?

— Парк Коломенское, парк имени Шкулева в Текстильщиках и Дубровицкий лес у нас в Подольске.

— Чем еще занимаешься, помимо прогулок?

— Периодически музицирую, но не так часто, как хотелось бы. Вообще я окончил музыкальную школу по классу скрипки — еще в Саянске. Помимо этого, играю на фортепиано, в последнее время пытаюсь освоить баян, о это чисто для души.

Люблю посмотреть какой-нибудь сериал на ночь, чтобы настроиться на сон, успокоиться от рабочего дня, от домашней работы. Ну и полистать ленту в социальных сетях и посмотреть короткие видео, куда без этого.

— И последнее: назови главную проблему, которая стоит перед тобой, как перед ученым?

Одна из проблем — организационная. Если у нас нет возможности своими силами произвести определенную работу, мы чаще всего привлекаем другие предприятия. Допустим, одна организация умеет делать эпитаксию (наращивание кристаллов), вторая — формирование контактов, третья — испытания. И все это нужно каким-то образом объединить. Бывает так, что есть финансирование, но мы не можем найти организацию, которая умеет делать то, что нам нужно. В таких случаях нам приходится закупать зарубежные оборудование и материалы.

Но куда важнее другая проблема — технологическая. Сейчас мы нередко ограничены физическими возможностями материалов. Например, используемые нами кристаллы из карбида кремния имеют толщину около 350 микрометров, где более 90 % толщины выступает подложкой и используется неэффективно.

А вот если бы мы могли создать образцы кристаллов толщиной порядка 50 микрометров, где 10 были бы активным слоем, а остальные 40 выступали как конструктив, для нас это был бы огромный шаг в развитии нашей технологии и всей атомной отрасли. Но зато здесь нам есть куда стремиться.