O baterie cu diamant radioactiv de buzunar poate funcționa 28.000 de ani!
Chiar dacă produce cantități masive de deșeuri radioactive periculoase, care sunt incredibil de dificil de procesat și de eliminat, energia nucleară este considerată o sursă de energie curată, pur și simplu pentru că are zero emisii de dioxid de carbon . Acum, un grup de oameni de știință a venit cu o soluție pentru a face față deșeurilor nucleare, care ar putea foarte bine să schimbe tehnologia bateriilor, așa cum o cunoaștem astăzi. Potrivit informațiilor furnizate de site-ul firstpost.com, În 2016, un grup de cercetători, fizicieni și chimiști de la Universitatea din Bristol, a început să lucreze la ceea ce a devenit cunoscut sub numele de baterii cu diamant radioactive. Invenția cu care au venit cercetătorii a fost prezentată ca un dispozitiv betavoltaic, ceea ce înseamnă că este alimentat de degradarea beta a deșeurilor nucleare.
Diamantul radioactiv
Dezintegrarea beta este un tip de dezintegrare radioactivă, care apare atunci când nucleul unui atom are un exces de particule și eliberează unele dintre ele pentru a obține un raport mai stabil dintre protoni și neutroni. Aceasta produce un fel de radiație ionizantă numită radiație beta, care implică o mulțime de electroni sau pozitroni de mare viteză și energie înaltă, cunoscuți sub numele de particule beta.
O celulă betavoltaică tipică constă din straturi subțiri de material radioactiv plasate între semiconductori. Pe măsură ce materialul nuclear se descompune, emite particule beta, care slăbesc electronii în semiconductor, creând un curent electric. Cu toate acestea, densitatea de putere a sursei radioactive este cu atât mai mică, cu cât se află mai departe de semiconductor. Aceasta înseamnă că bateriile nucleare sunt mult mai puțin eficiente decât alte tipuri de baterii. Aici intervine diamantul policristalin (PCD).
Bateriile radioactive sunt fabricate printr-un proces numit depunere chimică de vapori, care este utilizat pe scară largă, pentru fabricarea diamantelor artificiale. Cercetătorii au modificat procesul de creștere a diamantelor radioactive, prin utilizarea metanului radioactiv, care conține izotopul radioactiv Carbon-14, care se găsește pe blocurile de grafit iradiate ale reactoarelor. Aceste diamante pot acționa atât ca sursă radioactivă, cât și ca semiconductor.
Carbon 14+Nichel 63
Când sunteți expus la radiații beta, veți obține o baterie de lungă durată, care nu trebuie reîncărcată. Deșeurile nucleare din interiorul său le alimentează din nou și din nou, permițându-i să se încarce singure de-a lungul timpului, cu o degradare foarte mică sau deloc măsurabilă de-a lungul sutelor de ani. Teoretic vorbind, o singură baterie poate fi folosită timp de peste o mie de ani, fără a fi nevoie să fie înlocuită sau reîncărcată.
În momentul scrierii acestei piese, bateria este un prototip funcțional, care nu poate fi utilizat în aplicații obișnuite precum laptopuri sau telefoane mobile. Deoarece puterea pe care o oferă este foarte mică, aplicarea sa este limitată la dispozitive mici care nu consumă prea multă putere. Pentru a o face implementabilă la scară largă, comercială, cercetătorii lucrează la o tehnologie care le-ar permite să dezvolte și să susțină invenția. Arkenlight, o firmă engleză care comercializează bateria cu diamant radioactiv de la Bristol, intenționează să lanseze pe piață primul său produs, o micro-baterie pentru stimulatoare cardiace și senzori, în ultima parte a anului 2023. O echipă de fizicieni și chimiști de la Universitatea din Bristol au crescut un diamant artificial care, atunci când este plasat într-un câmp radioactiv, este capabil să genereze un curent electric mic. Cel mai obișnuit mod de generare a energiei electrice este utilizarea energiei pentru a muta un magnet printr-o bobină de sârmă, pentru a genera un curent, dar oamenii de știință au observat că diamantul artificial este capabil să producă o sarcină pur și simplu, fiind plasat în imediata apropiere a unei surse radioactive.
Tom Scott, profesor în materiale în Centrul de analiză a interfeței al Universității și membru al Institutul Cabot, a spus: „Nu sunt implicate părți în mișcare, nu sunt generate emisii și nu necesită întreținere, doar generare directă de electricitate. Prin încapsularea materialului radioactiv în interiorul diamantelor, transformăm o problemă pe termen lung într-o baterie cu energie nucleară și o aprovizionare pe termen lung cu energie curată.”
Cercetătorii au demonstrat un prototip de baterie cu diamant folosind Nichel-63 ca sursă de radiație. Cu toate acestea, acum lucrează la utilizarea Carbon-14, o versiune radioactivă de carbon, pentru a îmbunătăți semnificativ eficiența dispozitivului. Carbon-14 este generat în tijele de grafit folosite ca moderatori sau controlori într-un reactor nuclear, pentru a controla viteza de reacție. Grafitul facilitează reacția în lanț de fisiune, într-un reactor de grafit, prin încetinirea neutronilor. Cercetătorii din Bristol au arătat că carbonul radioactiv-14 este concentrat la suprafața acestor blocuri, făcând posibilă procesarea acestuia, pentru a elimina majoritatea materialului radioactiv. Carbonul-14 extras este apoi încorporat într-un diamant, pentru a produce o baterie nucleară.
Putere mică, pentru o durată foarte lungă
1 g de carbon-14 ar furniza 15 Jouli pe zi, aceasta este o putere semnificativ mai mică decât, să spunem, o baterie alcalină AA. Bateriile AA standard sunt evaluate pentru 700 de jouli pe gram, dar, dacă sunt operate continuu, ar rămâne fără energie în 24 de ore. Pe de altă parte, bateriile cu diamant care utilizează carbon-14 ar dura 5.730 de ani pentru a ajunge la 50% din puterea unei baterii AA. În timp ce tehnologia este într-un stadiu incipient acum, iterațiile viitoare ar putea vedea, de asemenea, puteri mai mari ale bateriilor nucleare.
Deșeurile nucleare – o sursă de energie?!
Marea Britanie deține în prezent aproape 95.000 de tone de blocuri de grafit și prin extragerea Carbonului-14 din acestea, radioactivitatea lor scade, reducând costul și provocarea depozitării în siguranță a acestor deșeuri nucleare. Aceste baterii cu diamant, cu o durată de viață, practic, nesfârșită și o putere mică, par a fi potrivite pentru aplicații precum stimulatoare cardiace, sateliți și drone de mare altitudine, în care se dorește o sursă de energie cu o putere redusă și o viață lungă.
Concurența propune nanodiamante albastre, sintetice
În mai puțin de doi ani, s-ar putea să puteți cumpăra un ceas inteligent – alimentat cu o baterie cu diamant radioactiv, care îți va va supraviețui ție și descendenților tăi, timp de multe generații.
Conform site-ului https://www.popularmechanics.com/, bateria care poate schimba jocul provine de la startup-ul Nano Diamond Battery (NDB) din San Francisco, care laudă „bateria voltaică alfa, beta și neutronă pe bază de diamant de mare putere” pentru capacitatea sa de a oferi dispozitivelor „durată de viață și energie lungă și verde.” O singură baterie ar putea alimenta pompa de insulină sau stimulatorul cardiac pentru întreaga viață (cu mult timp de rezervă). Sau ar putea oferi energie unui rover spațial, colectând mostre de regolit de pe Marte timp de decenii, fără nici o asistență umană. Sunt obiective ambițioase. Deci, ar putea afirmațiile îndrăznețe ale NDB să devină realitate?!
Mai întâi, să analizăm specificațiile. Pentru a-și construi bateria Nano Diamond, NDB folosește straturi de nano diamante cu panouri incredibil de mici (pentru context, un nanometru este o miliardime dintr-un metru). Diamantele au o conductanță termică excepțională, ceea ce le face ideale pentru dispozitive electronice. De fapt, ele sunt cel mai cunoscut conductor natural de căldură, potrivit unei publicații a Colegiului de Inginerie al Universității din Houston – și sunt de trei până la patru ori mai eficiente decât cuprul sau argintul. Oamenii de știință cultivă aceste diamante în miniatură, folosind depunerea chimică în vapori, un proces în care, gazele, la temperaturi extrem de ridicate, forțează carbonul să cristalizeze pe un material de substrat. Acest proces, admite NDB, creează un blocaj al costurilor; fabricarea diamantelor speciale este consumatoare de energie și costisitoare. La urma urmei, acestea sunt „diamante dopate cu bor artificial”, explică Yury Gogotsi, directorul Institutului de Nanomateriale AJ Drexel, de la Universitatea Drexel din Philadelphia. (Gogotsi nu are nicio afiliere cu NDB.) Acest proces produce diamante cu culoare albastră și o conductivitate mai mare decât diamantul mediu. Diamantele albastre adevărate se găsesc în mod natural pe Pământ, dar sunt mai rare și chiar mai scumpe decât diamantele albastre artificiale.
Blue Diamonds+deșeuri radioactive
Diamantele din bateria NDB au o nuanță albastră frumoasă, datorită urmelor de bor conținute în structura lor de carbon. Aceste diamante albastre sunt artificiale, dar amintesc de diamantele albastre adevărate, care sunt unele dintre cele mai rare pietre prețioase de pe Pământ. Conform descoperirilor dintr-un studiu din august 2018 din revista Nature, acestea sunt formate în mantaua inferioară a Pământului, care se află la circa 410 până la 1.680 de mile, sub suprafața solului. Ca atare, puteți găsi diamante albastre doar în trei mine din întreaga lume, ceea ce ajută la explicarea prețului lor mare: circa 15.700 USD pentru un diamant albastru deschis de 0,3 carate și 75.000 USD pentru un diamant albastru închis, de 0,25 carate — Courtney Linder. Odată ce NDB a obținut nanodiamantele, compania le combină cu izotopi radioactivi din deșeurile nucleare. Mai exact, ei folosesc izotopi radioactivi de uraniu și plutoniu, „care provin probabil din deșeurile centralelor radioactive”, spune Gogotsi. De acolo, diamantele cu un singur cristal – de doar câțiva milimetri pătrați, îndepărtează căldura de la izotopii care se descompun radioactiv atât de repede, încât tranzacția generează, efectiv, electricitate. „Sursele de dezintegrare își depun energia pe traductorul NDB, care convertește energia cinetică a radiației incidente în energie electrică!”, spune Nima Golsharifi, CEO al NDB.