Мирный атом, получивший свою печальную известность после аварии на Чернобыльской атомной станции, уже много лет служит человеку и способствует улучшению его здоровья. Рентген-аппаратура (компьютерные томографы (SPECT, улавливают гамма-излучение) и позитронно-эмиссионные томографы (ПЭТ-сканеры)) применяется для ранней диагностики различных заболеваний (туберкулеза, опухолей, отклонений в развитии внутренних органов и костных структур), лучевая терапия позволяет подавлять опухолевые процессы.

Сегодня сделан еще один шаг к продлению естественной жизни человека. Учеными разработаны разные атомные источники питания для кардиостимуляторов и приборов типа «искусственное сердце».

Искусственное сердце. Вариант крепления источников питания и управления сердечными ритмами

В художественном фильме «Терминатор3: Восстание машин» (2003 г.), есть сцена, в которой Терминатор Т850 (его сыграл Арнольд Шварценеггер) достает из своего кибернетического организма поврежденную атомную батарейку, выбрасывает её из окна автомобиля, который в этот момент движется по шоссе, и через несколько секунд происходит маленький, но ощутимый ядерный взрыв, а терминатор поясняет: «Поврежденные блоки утрачивают стабильность». То, что было представлено писателями-фантастами как возможное будущее еще 30-50 лет назад, становится настоящим. А батарейки будут не столь опасны.

Желание ученых мира использовать водород (самый часто встречающийся химический элемент на планете Земля) на благо человеку в виде источника (термоядерная энергетика) или носителя (в виде топливных элементов) энергии, уже привело к созданию водород содержащих и безводородных портативных источников энергии (до стабильно работающих токамаков еще далеко), которые кроме своего прямого назначения (работы в технических системах в промышленности) получили и прикладное назначение – в виде поддержания жизни человека.

Атомные батарейки: выбирай

Первые атомные батарейки увидели мир еще в 2000-х годах, причем появление этих небольших по габаритам (по сравнению с современными аккумуляторами для автомобилей, квадрокоптеров, велосипедов и проч.) источников питания было «взрывным» по всей планете.

В 2013 году американская компания City Labs начала выпуск настоящих атомных батареек NanoTritium. Источником энергии в этих батарейках служит распад сверхтяжелого водорода — трития. Батарейка изготавливается в корпусе микросхемы, на данный момент ее стоимость достаточно велика и составляет около $1000. Тритий входит в десятку самых дорогих веществ в мире и его грамм стоит $30000.

Атомный источник питания от City Labs способен выдерживать изменение температур от -50 до 150 градусов Цельсия, а также хорошие перепады высот. Этот аккумулятор способен работать на протяжении 20 лет и выдавать до 2.4В с силой тока 50-300 наноампер. Даже столь низкий ток вполне достаточен для питания многих устройств.

В 2014 году в России появился производитель водородных топливных ячеек — AT Energy, который монтирует их в дроны. Топливными элементами AT Energy были, например, оснащены дроны компании «АФМ-Серверс», снимавшие с воздуха Олимпиаду-2014 в Сочи. «Оснащение дронов водородными элементами дает большой выигрыш по длительности полета, кроме того, они перестают зависеть от температуры воздуха», — говорит основатель компании Данила Шапошников.

В 2015 году сингапурская компания Horizon Unmanned Systems (HUS), представила работающий прототип своего квадрокоптера Hycopter. В качестве топлива использовались водородные элементы. Коптер без нагрузки способен летать без подзарядки 4 часа. Если же добавить ему полезной нагрузкой весом в 1 кг, то время полёта составит 2,5 часа.

Из этих трех примеров видно, что главное для разработчика – определить назначение (перемещение грузов – будущий беспилотный аналог Почты России; система слежения за правопорядком (например, как это представлено фантастами в художественном фильме «Eyeborgs» (2010 г.)) и условия эксплуатации топливного элемента (высота, погодные условия (температура, влажность, давление), дальность полета, время полета, скорость полета и др.). Пока проблему составляет подбор соотношений: вес топливного элемента/ выдаваемая мощность/ время работы без подзарядки. Остальные характеристики дорабатываются в соответствии с техническим заданием, что уже говорит о том, что данный рынок становится перспективным для инвестиций уже сегодня.

Но кроме водородных элементов используются также и безводородные атомные источники питания.

В 2017 году инженерами «НИИ НПО Луч» был представлен источник питания, созданный на основе изотопа Ni-63 с эксплуатационным сроком порядка 50 лет. Стоимость такого источника питания оказалась достаточно высока, если говорить о грамме Ni-63 - порядка четырёх тысяч долларов, а стоимость каждого алмазного элемента в конструкции варьируется от десяти до ста тысяч рублей, пояснил генеральный директор предприятия Павел Зайцев, не озвучив итоговую стоимость одной такой батарейки.

Учёные химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова совместно с РХТУ им. Д.И. Менделеева также создали батарейку, работающую на энергии, которая выделяется при бета-распаде изотопа никеля, отказавшись от использования трития по соображениям личной безопасности и последующей безопасности людей при эксплуатации таких батареек, так как видят основное использование своего изобретения именно в кардиостимуляторах. Через 70 лет атомная батарейка сократит выработку тока лишь на 30% (срок полураспада никеля-63 - примерно 100 лет). Но и в этом случае стоимость одной экспериментальной батарейки колеблется в размере от трёх до десяти миллионов рублей, и 99% этой цены - стоимость изотопа никеля.

А дальше всех продвинулись ученые Самарского национального исследовательского университета имени академика С. П. Королева, разработавшие технологию, основанную на использовании свойств радиоактивного источника – углерода-14,  которая позволит создавать ядерные батарейки со сроком службы свыше 100 лет. «Эти преимущества обеспечиваются за счет применения в новой батарейке углерода-14 в качестве радиоактивного источника. Период полураспада этого элемента составляет 5700 лет, и при этом, в отличие, например, от никеля-63, углерод-14 нетоксичен и отличается низкой стоимостью», - поясняют разработчики технологии.

«Благодаря своим компактным размерам, батарейки идеально подойдут для различного рода датчиков в автоматизированных системах управления и контроля, в том числе для бесперебойного мониторинга нефте- и газопроводов в течение всего их жизненного цикла в труднодоступных регионах Сибири, Дальнего Востока и Арктики. Также они могут быть использованы для питания датчиков в автомобилях и беспилотных аппаратах. Наконец, еще одной областью применения таких батарей может стать медицина - их можно будет использовать для питания кардиостимуляторов», - отметили авторы. О выпуске Самарским институтом опытного образца пока неизвестно, зато аналогичный прорыв осуществили и физики из Университета Бристоля.

Вместо сердца – атомный мотор

Тема использования атомных батареек в медицине интересна сама по себе. Во-первых, потому что использование атомной батарейки позволит не менять кардиостимулятор каждые 3-7-10 лет, как это делается сейчас (кардиостимулятор снимается полностью, замена его отдельных элементов не производится). Во-вторых, само по себе наличие источника питания со сроком службы 100 лет открывает новые горизонты в самой медицине. Сегодня врачи могут человеку с поврежденным сердцем, или с сердцем, которое работает неправильно, оперативным путем поставить кардиопротез или стент, каждый из которых улучшает работу лишь конкретных частей сердечно-сосудистой системы. А использование батареи позволит вживлять в организм человека полностью искусственное сердце (а то и не одно, пусть второе будет запасным), аппараты искусственного кровообращения, да и питание человек сможет получать не в виде пищевых продуктов, а от батарейки.

Актуальность подобного применения атомных батареек в медицине продиктована здравым смыслом и необходимостью сохранять народонаселение России в трудоспособном возрасте как можно дольше.

Сердечно-сосудистые заболевания по-прежнему остаются главной причиной смерти россиян — почти половина (47%) летальных исходов. В 2017 году сердечно-сосудистые заболевания унесли жизни 858 тыс. человек, что на 5% меньше, чем годом ранее. Смертность от инфарктов миокарда сократилась на 14%,  рассказали в Минздраве. Хотя абсолютное число инфарктов выросло: если в 2010 году было 153 тыс. инфарктов, то в 2016 году 159 тыс. случаев.

По данным Российского общества ангиологов и сосудистых хирургов, общее число операций (включая операции на венозной и лимфатической системе, эмболэктомии, операции при ангиодисплазиях и т. д.) в отделениях сосудистой хирургии, за 2016 год (последние актуальные данные), составило 135 089. В 2014 году эта цифра равнялась 119 119.

Спрос на оперативные вмешательства на сердце есть и растет с каждым годом, но клиники не успевают помочь каждому. Это значит, что медицина нуждается в финансировании и расширении своего потенциала, который как раз и задается учеными.

В любом случае, главная цель медицины – физическое бессмертие человека и все предпосылки для следующего шага на этом длинном пути (продления естественной жизни до 150-200 лет) уже сложились в настоящее время. И для этого шага не хватает минимального импульса, которым и могут стать новые возможности в области исследования атомной микроэнергетики.

Сацыперов Фёдор Игоревич