Pin kim cương phóng xạ hứa hẹn giải pháp cho chất thải hạt nhân

Pin kim cương phóng xạ được sản xuất bằng cách sử dụng một quá trình gọi là lắng đọng hơi hóa học, vốn được sử dụng rộng rãi để sản xuất kim cương nhân tạo. Nó sử dụng hỗn hợp hydro và methane để phát triển màng kim cương ở nhiệt độ rất cao. Kim cương là một trong những vật liệu cứng nhất mà nhân loại biết đến – nó thậm chí còn cứng hơn cả cacbua silic. Và kim cương có thể hoạt động như một nguồn phóng xạ và một chất bán dẫn. Cho kim cương tiếp xúc với bức xạ beta và bạn sẽ nhận được pin thời lượng dài mà không cần sạc lại. Chất thải hạt nhân tiếp nhiên liệu cho pin kim cương nhiều lần, cho phép tự sạc qua nhiều thời kỳ.

Pin kim cương phóng xạ lần đầu tiên được phát triển bởi một nhóm các nhà vật lý và hóa học từ Viện Cabot về Môi trường Đại học Bristol (Anh). Sáng chế được giới thiệu là một thiết bị betavoltaic, có nghĩa là nó được cung cấp năng lượng bởi sự phân rã beta của chất thải hạt nhân. Phân rã beta là một loại phân rã phóng xạ xảy ra khi hạt nhân của nguyên tử có dư các hạt và giải phóng một số hạt trong số chúng để thu được tỷ lệ proton và neutron ổn định hơn. Điều này tạo ra một loại bức xạ ion hóa được gọi là bức xạ beta, bao gồm rất nhiều electron hoặc positron năng lượng cao và tốc độ cao được gọi là hạt beta. Hạt beta chứa năng lượng hạt nhân có thể được chuyển đổi thành năng lượng điện thông qua một chất bán dẫn.

Tuy nhiên, nhóm nhà khoa học Bristol cảnh báo pin kim cương phóng xạ không phù hợp với máy tính xách tay hoặc điện thoại thông minh, vì chúng chỉ chứa 1g carbon-14, có nghĩa là chúng cung cấp năng lượng rất thấp – chỉ một vài microwat, ít hơn mức thông thường Pin AA. Do đó, ứng dụng của họ cho đến nay chỉ giới hạn ở các thiết bị nhỏ không được giám sát trong thời gian dài – chẳng hạn như cảm biến và máy điều hòa nhịp tim. Có trụ sở tại San Francisco, NDB Inc. được thành lập vào năm 2012 với mục tiêu tạo ra một giải pháp thay thế sạch hơn và xanh hơn cho các loại pin thông thường.

Công ty khởi nghiệp giới thiệu phiên bản pin làm từ kim cương vào năm 2016 và công bố hai cuộc thử nghiệm bằng chứng về khái niệm vào năm 2020. Đây là một trong những công ty đang cố gắng thương mại hóa pin kim cương phóng xạ. Pin kim cương nano từ NDB được mô tả là pin điện áp alpha, beta, neutron và có một số tính năng mới, theo trang web công ty. Pin kim cương nano dự kiến sẽ được tung ra thị trường vào năm 2023. Arkenlight, công ty Anh thương mại hóa pin kim cương phóng xạ của Bristol, có kế hoạch phát hành sản phẩm đầu tiên của họ là pin micro ra thị trường vào cuối năm 2023.

Tính di động của các thiết bị điện tử hiện đại, sự phổ biến ngày càng tăng của ôtô điện và cuộc chạy đua đưa nhân loại vào các nhiệm vụ vũ trụ dài ngày đến sao Hỏa trong thế kỷ 21 đã khiến mối quan tâm ngày càng tăng trong nghiên cứu công nghệ pin trong vài năm trở lại đây. Một số loại pin thích hợp hơn cho một số ứng dụng nhất định và không hữu ích cho những loại khác.

Nhưng chúng ta có thể nói rằng pin lithium-ion thông thường mà chúng ta quen thuộc sẽ không sớm bị thay thế bằng pin kim cương phóng xạ. Pin thông thường kéo dài thời gian ngắn hơn, nhưng chúng cũng rẻ hơn nhiều để sản xuất. Tuy nhiên, việc chúng không tồn tại được lâu (tuổi thọ khoảng 5 năm) là một vấn đề nan giải, thậm chí chúng cũng tạo ra một lượng lớn rác thải điện tử, không dễ tái chế.

Pin kim cương phóng xạ tiện lợi hơn vì có tuổi thọ cao hơn nhiều so với các loại pin thông thường. Nếu chúng có thể được phát triển thành một loại pin phổ thông, như NDB Inc. đề xuất, chúng ta có thể kết thúc sử dụng pin điện thoại thông minh và chỉ cần thay đổi pin từ điện thoại này sang điện thoại khác – như chuyển thẻ SIM. Tuy nhiên, pin betavoltaic do Arkenlight phát triển sẽ không đi xa đến vậy. Công ty đang nghiên cứu thiết kế có thể xếp nhiều pin betabat carbon-14 của họ vào các ô.

Để cung cấp khả năng phóng điện cao, mỗi tế bào có thể được đi kèm với một siêu tụ điện nhỏ, có thể cung cấp khả năng phóng điện nhanh tuyệt vời. Tuy nhiên, chất phóng xạ này cũng có tuổi thọ hơn 5.000 năm. Nếu bức xạ đó bị rò rỉ ra khỏi thiết bị ở dạng khí, nó có thể là một vấn đề. Trong quá trình hình thành kim cương, C-14 là một chất rắn, vì vậy nó không thể được chiết xuất và hấp thụ bởi một sinh vật sống. Chúng ta sẽ phải chờ xem liệu các nhà sản xuất có thể tìm ra cách giải quyết chi phí sản xuất và sản lượng năng lượng thấp, đồng thời đưa pin kim cương ra thị trường với chi phí hiệu quả và dễ tiếp cận hay không.