یک شرکت در چین باتری هایی ابداع کرده است که میگوید میتواند بیشتر از دستگاههای که به آن انرژی میدهد دوام بیاورد. به گفته استارتآپ Betavolt Technology مستقر در پکن، باتری هسته ای BV100 کوچکتر از یک سکه است و میتواند به مدت 50 سال بدون نیاز به شارژ مجدد انرژی تامین کند.
به گفته این شرکت، نمونه اولیه این باتری، انرژی آزاد شده توسط ایزوتوپ های هسته ای را مهار کرده و از نیمه هادی ها برای تبدیل آن به انرژی الکتریکی استفاده می کند.
این شرکت در وبسایت خود گفته است: این باتری هسته ای می تواند دستگاههایی مانند گوشیهای هوشمند را به این قابلیت برساند تا به طور نامحدود بدون شارژ مجدد کار کنند یا پهباد ها و هواپیماهای بدون سرنشین بدون فرود آمدن برای شارژ باتری پرواز کنند. علاوه بر طول عمر طولانی، گفته می شود باتری در شرایط سخت نیز عملکرد خوبی دارد.
مجله ساینس دیلی در مقاله ای در 8 ژانویه گفت: برخلاف باتریهای سنتی، این باتری هست های می تواند تحت شرایط سخت، از دمای 120 درجه تا منفی 60 درجه سانتیگراد، با خیال راحت کار کند و همچنین در برابر سوراخ شدن و گلوله مقاوم بوده و ضد اشتعال و ضد انفجار است.
به گفته کارشناسان، علاوه بر استفاده های عمومی غیرنظامی، چنین باتری هایی می تواند در صنایع نظامی مانند هواپیماهای بدون سرنشین دائم پرواز یا برای دستگاه های نظارتی در اعماق دریا که در شرایط سخت به یک منبع تغذیه طولانی مدت نیاز دارند، استفاده شود.
ابعاد باتری هسته ای BV100 فقط 15×15×5 میلیمتر است و توان خروجی آن 100 میکرووات و 3 ولت است. این شرکت اعلام کرد که قصد دارد تا پایان سال جاری این باتری را به تولید انبوه برساند و سال آینده یک نسخه یک ولتی از این باتری هسته ای را نیز عرضه کند.
اصل اساسی باتری های هسته ای فناوری ایزوتوپ است که برای اولین بار در سال 1913 توسط فیزیکدان انگلیسی هنری موزلی پیشنهاد شد. انرژی حاصل از فروپاشی هسته ای عناصر رادیواکتیو را جذب می کند.
بر خلاف شکافت هسته ای یا همجوشی، واپاشی هسته ای یک فرآیند خود به خودی است که در آن ایزوتوپ ها تشعشع می کنند و منجر به ایجاد اتم های جدید با ثبات تر می شود. دانشمندان این ایزوتوپ ها را محصور کرده و انرژی ساطع شده را به نیروی الکتریکی قابل استفاده تبدیل می کنند.
طول عمر باتری هسته ای با نیمه عمر ایزوتوپ مورد استفاده در آن به عنوان منبع انرژی آن ارتباط دارد. به عنوان مثال، نیمه عمر نیتروژن-16 تنها 7.13 ثانیه است، در حالی که پتاسیم-40 حدود 1.3 میلیارد سال است. BV100 از نیکل-63 به عنوان منبع تشعشع خود استفاده می کند که نیمه عمر آن بیش از 100 سال است و این اطمینان را می دهد که در طول عمر 50 ساله خود فعال خواهد ماند.
ایزوتوپ‌های مختلف ذرات آلفا یا بتا و پرتوهای گاما را در هنگام فروپاشی ساطع می‌کنند. مواد خام ایزوتوپی مختلف می توانند راه های جدیدی را برای ساخت باتری های هسته ای بوجود آورند.
به عنوان مثال، باتری هسته‌ای روی ماه‌نورد Chang’e-3 چین که در سال 2013 به فضا پرتاب شد، از یک مبدل ترموالکتریک برای مهار گرمای تولید شده توسط ذرات آلفای آزاد شده از تجزیه پلوتونیوم-238 برای تولید برق استفاده کرد. مریخ نورد کنجکاوی ناسا نیز از فناوری مشابهی برای تامین انرژی استفاده می کند.
باتری BV100 به عنوان یک باتری بتاولتائیک طبقه بندی می شود و با استفاده از نیمه هادی ها، جریان الکتریکی را به طور مستقیم از ذرات بتا (الکترون) منتشر شده از منبع رادیواکتیو تولید می کند.
در باتری BV-100، ذرات بتا آزاد شده در طول تجزیه نیکل-63 بر روی نیمه هادی الماس تابش می شود تا یک میدان الکتریکی تشکیل دهد و در هنگام اتصال به مدار به خروجی انرژی الکتریکی برسد.
برای بهبود راندمان تبدیل انرژی، محققان Betavolt یک نیمه هادی الماس تک کریستالی منحصر به فرد را با استفاده از یک الماس ترکیب شده با فلز بور به عنوان بستر و از بخار پلاسما برای ایجاد مبدل نیمه هادی استفاده کرده اند.
این شرکت ادعا کرد که تنها شرکتی در جهان است که قادر به ترکیب و تولید مواد نیمه هادی الماس در مقیاس بزرگ است که جزء کلیدی در ساخت باتری های هسته ای می باشد.
باتری هسته ای BV100 از یک ساختار مدولار استفاده می کند که یک لایه نیکل-63 با ضخامت 2 میکرومتر را بین دو نیمه هادی الماسی 10 میکرومتری قرار می گیرد و یک واحد تولید برق را در این باتری تشکیل می دهد. با اتصال چند تا از این ماژول ها، محققان می‌توانند خروجی ای از چند میکرووات تا چند وات را پیکربندی کنند.
این شرکت در وبسایت خود گفته است: بازده تبدیل انرژی این باتری هسته ای با استفاده از بهبود بالقوه از منابع تشعشعی نیکل-63 با خلوص بالا در حال حاضر 8.8 درصد است که می تواند بهبود پیدا کند.
دکتر Zhang Shixu، دانشیار دانشکده علوم و فناوری هسته ای در دانشگاه لانژو در شمال غربی چین گفت: علاوه بر کاربردهای هوانوردی، باتریهای هسته ای ایزوتوپی در چراغهای ناوبری زیردریایی، ضربانساز قلب و کابلهای مستقر در اعماق دریا نیز استفاده میشوند.
با این حال، دکتر ژانگ گفت که طراحی باتری های هسته ای برای دستگاه های الکترونیکی کوچک مانند گوشی های هوشمند و هواپیماهای بدون سرنشین چالش برانگیز خواهد بود.
او گفت: «نگرانی‌ها شامل ایمنی و کنترل هسته‌ای و همچنین حفاظت در برابر تشعشع است که عملکرد این قبیل باتری ها را محدود می‌کند.
CityLabs، یک شرکت در ایالات متحده، از سال 2010 باتریهای بتاولتائیک را با استفاده از ایزوتوپ‌های تریتیوم توسعه داده است. باتریهای هسته‌ای آن‌ها به طور گسترده در دسترس مصرف‌کنندگان نیستند و فقط برای دستگاههای کم‌مصرف در محدوده نانو وات تا میکرووات برق را تامین می‌کنند و می‌توان آن را تا میلی‌وات افزایش داد.
استفاده از تریتیوم در باتری های هسته ای ایمن تر است، زیرا تشعشعات آن به راحتی مسدود می شود. برخی از ضربان سازها نیز از تریتیوم به عنوان منبع تشعشع استفاده می کنند. حتی اگر نشت کند، می تواند به سرعت از طریق متابولیسم از بدن انسان دفع شود. دکتر ژانگ گفت: در مقایسه با تریتیوم، نیکل-63 که در BV100 استفاده می شود، تشعشعات قوی تری از خود ساطع می کند.
طول عمر طولانی باتری های هسته ای نیز نگرانی هایی را در مورد بازیافت آن ایجاد می کند. دکتر ژانگ گفت: «در حال حاضر، موارد استفاده اصلی مانند صنایع هوافضا و ضربان‌سازها نیازی به بازیافت ندارند، اما برای کاربردهایی مانند چراغهای قطبی در اعماق دریا و سایر موارد دیگر بازیافت این باتری ها باید در نظر گرفته شود.
ما قصد داریم پس از شروع فروش محصول، هر باتری را ردگیری و بازیافت کنیم. همچنین در فرآیند بازیافت این باتری ها نیکل-63 به مس-63 غیر رادیواکتیو تجزیه می شود و هیچ تهدیدی برای آلودگی ایجاد نمی کند.
دکتر ژانگ گفت: «ادغام باتریهای چند مرحله‌ای اغلب منجر به کاهش بازدهی می‌شود که یک حوزه تحقیقاتی کلیدی برای دانشمندان است. وی افزود که تامین ایزوتوپ های گران قیمت عمدتا از طریق واردات تامین می شود برای تولید باتری های هسته ای بسیار مهم است.
یادداشت:
در صورتیکه توسعه و تولید انبوه باتری های هسته ای با همین سرعت ادامه داشته باشد و محققان راهی ایمن برای استفاده های روزمره از این قبیل باتری ها پیدا کنند که از تشعشع برای تولید انرژی استفاده می کنند و نیازی به شارژ مجدد ندارند، شکل تامین انرژی در بسیاری از صنایع از جمله برق اضطراری و یو پی اس بطور کلی عوض خواهد شد.
