Carbon-14: Vật liệu tiềm năng để tạo ra pin hạt nhân, vận hành vài chục năm không phải sạc

Carbon-14 chỉ phát ra các hạt beta trong quá trình phân rã, chúng ít gây hại hơn và có thể bao bọc, bảo vệ an toàn cho con người chỉ bằng một tấm nhôm mỏng. Điều này khiến pin betavoltaic, chuyển đổi bức xạ beta thành điện năng, trở thành một ứng cử viên đầy hứa hẹn cho các giải pháp năng lượng nhỏ gọn và an toàn. Carbon-14 mang lại một số lợi thế so với các vật liệu phóng xạ khác: Nó rẻ tiền, dễ dàng có được nguyên liệu dưới dạng một sản phẩm phụ của nhà máy điện hạt nhân, và rất dễ tái chế.

Quan trọng nhất, Carbon-14 phân rã cực kỳ chậm, với chu kỳ bán rã là 5.730 năm.

Điều này có nghĩa là pin sử dụng đồng vị carbon phóng xạ, về mặt lý thuyết có thể cung cấp năng lượng trong hàng nghìn năm mà không cần thay thế. “Chúng tôi quyết định sử dụng một đồng vị phóng xạ của carbon vì nó chỉ tạo ra tia beta,” Giáo sư In nói.

Nguyên mẫu pin betavoltaic của nhóm khoa học gia Hàn Quốc đã kết hợp các vật liệu tiên tiến để tối đa hóa hiệu quả chuyển đổi năng lượng, giải quyết một thách thức quan trọng trong thiết kế pin hạt nhân. Ở trung tâm của pin là hợp chất bán dẫn dựa trên titanium dioxide, thường được sử dụng trong pin mặt trời.

Vật liệu này đã được xử lý bằng thuốc nhuộm dựa trên ruthenium và gia cường bằng axit citric để tạo ra một cấu trúc có độ nhạy cao, có khả năng chuyển đổi bức xạ beta thành điện năng một cách hiệu quả.
Các hạt beta phát ra từ carbon phóng xạ va chạm với thuốc nhuộm dựa trên ruthenium trên chất bán dẫn, kích hoạt một loạt các phản ứng truyền electron được gọi là “hiệu ứng thác đổ electron.” Các phản ứng này tạo ra điện năng, sau đó lớp titanium dioxide thu thập và chuyển qua mạch ngoài. Quá trình này đóng vai trò trung tâm trong khả năng của pin để tạo ra nguồn điện hữu dụng.

Kết quả thử nghiệm cho thấy, phương pháp tiếp cận này đã nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng của pin từ 0.48% trong các thiết kế trước đó lên 2.86% trong nguyên mẫu mới, tức là cải thiện gấp 6 lần.

Bất chấp những tiến bộ này, pin carbon phóng xạ trong phòng thí nghiệm vẫn còn kém hơn so với pin Li-ion về mặt công suất đầu ra. Lý do cũng đơn giản, pin Li-ion hiện giờ thừa sức đạt được hiệu quả chuyển đổi năng lượng khoảng 90%. Tuy nhiên, nếu như những pin hạt nhân này thua kém về hiệu suất tức thời, chúng đã bù đắp bằng lợi thế về mặt tuổi thọ và độ bền Khả năng hoạt động trong nhiều thập kỷ mà không cần sạc lại mở ra những khả năng mới trên nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

Chẳng hạn, những máy tạo nhịp tim được cấp điện bởi pin carbon phóng xạ có thể kéo dài suốt cuộc đời bệnh nhân, loại bỏ nhu cầu thay thế, với những cuộc phẫu thuật đầy rủi ro. Các ứng dụng tiềm năng khác bao gồm cung cấp năng lượng cho các cảm biến từ xa trong môi trường khắc nghiệt, hay những vệ tinh yêu cầu giải pháp năng lượng lâu dài trong không gian, và thậm chí cả máy bay không người lái hoặc xe tự hành, ở những nơi việc sạc thường xuyên là không khả thi.

Giáo sư In thừa nhận rằng cần phải tối ưu hóa hiệu năng hơn nữa, để nâng cao hiệu suất của những cục pin hạt nhân này. Các nỗ lực đang được tiến hành để tinh chỉnh hình dạng của bộ phát tia beta và phát triển các chất hấp thụ hiệu quả hơn để tăng cường tạo ra dòng điện. Tuy nhiên, ông vẫn lạc quan về tác động tiềm năng của chúng. “Chúng ta có thể đưa năng lượng hạt nhân an toàn vào các thiết bị có kích thước bằng ngón tay,” ông nói, hình dung một tương lai nơi năng lượng hạt nhân không còn giới hạn trong các nhà máy điện lớn mà được tích hợp vào những thiết bị công nghệ hàng ngày.

Theo Techspot