Jedrska energija velja za čisti vir energije, ker nima emisij ogljikovega dioksida, hkrati pa proizvaja velike količine nevarnih, radioaktivnih odpadkov, ki se kopičijo, ko se po vsem svetu gradi vse več reaktorjev.
Da bi bolje poskrbeli za okolje in zdravje ljudi, so strokovnjaki za to vprašanje predlagali različne rešitve. Ker ni dovolj varnega prostora za odlaganje jedrskih odpadkov, je osrednja točka teh idej ponovna uporaba materialov.
Ta vsebina je samo za naročnike
Interesting engineering
2021-301-11
Radioaktivne diamantne baterije so bile prvič razvite leta 2016 in so bile takoj zanimive, ker so obljubljale nov, stroškovno učinkovit način recikliranja jedrskih odpadkov. V tem kontekstu je potrebno razmisliti, ali so najboljša rešitev za te strupene in smrtonosne ostanke.
Kaj so radioaktivne diamantne baterije?
Radioaktivne diamantne baterije je najprej razvila skupina fizikov in kemikov z Inštituta za okolje Cabot Univerze v Bristolu. Izum je bil predstavljen kot betavoltaična naprava, kar pomeni, da ga poganjajo beta delci, ko razpadajo jedrski odpadki.
Beta razpad je vrsta radioaktivnega razpada, ki nastane, ko ima jedro atoma presežek delcev in nekatere od njih sprosti, da dobi stabilnejše razmerje protonov in nevtronov. Ta proces proizvaja nekakšno ionizirajoče sevanje, imenovano beta sevanje, ki vključuje veliko hitrih in visokoenergijskih elektronov ali pozitronov, znanih kot beta delci.
Beta delci imajo določeno energijo, ki jo lahko s polprevodnikom pretvorimo v električno energijo.
Tipična betavoltaična celica je sestavljena iz tankih plasti radioaktivnega materiala, nameščenega med polprevodniki. Med razpadom jedrskega materiala le-ta oddaja beta delce, ki v polprevodniku sproščajo elektrone in ustvarjajo električni tok.
Vendar je gostota moči radioaktivnega vira manjša, bolj ko je bolj oddaljena od polprevodnika. Poleg tega, ker se beta delci naključno razprostirajo v vseh smereh, zato jih bo le majhno število udarilo v polprevodnik, le majhno število pa se bo pretvorilo v elektriko. To pomeni, da so jedrske baterije veliko manj učinkovite od drugih vrst baterij. Tu pa prihaja nasproti polikristalni diamant (PCD).
Radioaktivne diamantne baterije so izdelane s postopkom, imenovanim kemično nanašanje hlapov, ki se pogosto uporablja za proizvodnjo umetnih diamantov. Uporablja mešanico vodikove in metanske plazme za gojenje diamantnih filmov pri zelo visokih temperaturah. Raziskovalci so spremenili postopek CVD za gojenje radioaktivnih diamantov z uporabo radioaktivnega metana, ki vsebuje radioaktivni izotop ogljik-14, ki ga najdemo na obsevanih reaktorskih grafitnih blokih.
Diamant je eden najtrših materialov, ki jih pozna človeštvo – celo trši je od silicijevega karbida. Lahko deluje tudi kot radioaktivni vir in kot polprevodnik. Izpostavite ga beta sevanju in dobili boste dolgotrajno baterijo, ki je ni treba ponovno napolniti. Jedrski odpadki v njeni notranjosti jo vedno znova napajajo, kar ji omogoča, da se samodejno polni več let.
Vendar pa je ekipa iz Bristola opozorila, da njihove radioaktivne diamantne baterije ne bi bile primerne za prenosne računalnike ali pametne telefone, saj vsebujejo le 1 g ogljika-14, kar pomeni, da zagotavljajo zelo nizko moč – le nekaj mikrovatov, kar je manj kot običajna AA baterija. Zato je njihova uporaba doslej omejena na majhne naprave, ki morajo dolgo ostati brez nadzora, kot so senzorji in spodbujevalniki.
Radioaktivne baterije iz nano diamantov
Izvor jedrskih baterij lahko zasledimo že v letu 1913, ko je angleški fizik Henry Moseley ugotovil, da lahko sevanje delcev ustvari električni tok. V petdesetih in šestdesetih letih je bila vesoljska industrija zelo zainteresirana za Moseleyjevo odkritje, saj bi lahko potencialno napajala vesoljska plovila za dolgotrajne misije. Korporacija RCA je raziskala tudi uporabo jedrske baterije v radijskih sprejemnikih in slušnih aparatih.
Toda za razvoj in ohranitev izuma so bile potrebne drage tehnologije. V zvezi s tem je uporaba sintetičnih diamantov revolucionarna, saj zagotavlja varnost in prevodnost radioaktivne baterije. Z dodatkom nanotehnologije je ameriško podjetje zgradilo zmogljivo nano-diamantno baterijo.
NDB Inc. s sedežem v San Franciscu v Kaliforniji, je bila ustanovljena leta 2012 z namenom ustvariti čistejšo in bolj zeleno alternativo običajnim baterijam. Zagon je predstavil svojo različico diamantnih baterij leta 2016 in napovedal dva preizkusa dokaza koncepta leta 2020. Je eno od podjetij, ki poskušajo komercializirati radioaktivne diamantne baterije.
Nano-diamantne baterije iz NDB so opisane kot alfa, beta in nevtronske voltaične baterije in imajo glede na njihovo spletno stran več novih funkcij.
Trajnost. Podjetje računa, da bi baterije lahko zdržale do 28.000 let, kar pomeni, da bi lahko zanesljivo napajale vesoljska vozila v dolgotrajnih misijah, vesoljskih postajah in satelitih. Brezpilotnim letalom, električnim avtomobilom in letalom na Zemlji se nikoli ne bi bilo treba ustaviti, da bi jih napolnili.
Varnost. Diamant ni le ena najtrših snovi, ampak tudi eden najbolj toplotno prevodnih materialov na svetu, ki pomaga ščititi pred toploto, ki jo proizvajajo radioizotopi, iz katerih je zgrajena baterija, in jo zelo hitro spremeni v električni tok.
Prijaznost do trga. Tankoplastne plasti PCD v njih omogočajo, da baterija omogoča različne oblike. Zato so lahko nano-diamantne baterije večnamenske in vstopajo na različne trge, od prej omenjenih vesoljskih aplikacij do potrošniške elektronike. Potrošniška različica pa ne bi trajala več kot desetletje.
Nano-diamantne baterije naj bi na trg prišle leta 2023.
Arkenlight, angleško podjetje, ki trži Bristolovo radioaktivno diamantno baterijo načrtuje, da bo svoj prvi izdelek, mikrobaterijo, na trg izdal konec leta 2023.
Prihodnost baterij na osnovi radioaktivnih diamantov
Prenosljivost sodobnih elektronskih naprav, vse večja priljubljenost električnih vozil in tekma v 21. stoletju, da bi človeštvo popeljali na dolge vesoljske misije na Mars, so v zadnjih nekaj letih sprožili vse večje zanimanje za raziskave baterijske tehnologije.
Nekatere vrste baterij so za določene aplikacije bolj primerne, za druge pa ne. Lahko pa rečemo, da običajne litij-ionske baterije, ki jih poznamo, ne bodo kmalu zamenjane z radioaktivnimi diamantnimi baterijami.
Običajne baterije vsebujejo manj energije, vendar so tudi cenejše za izdelavo. Hkrati pa je problematično dejstvo, da ne trajajo tako dolgo (njihova življenjska doba je približno pet let), saj proizvajajo tudi veliko elektronskih odpadkov, ki jih ni enostavno reciklirati.
Radioaktivne diamantne baterije so bolj priročne, saj imajo veliko daljšo življenjsko dobo kot običajne baterije. Če bi jih lahko razvili v univerzalno baterijo, kot predlaga NDB Inc., bi lahko na koncu dobili baterije pametnih telefonov, ki zdržijo veliko dlje od življenjske dobe pametnega telefona, in lahko preprosto zamenjamo baterijo iz enega telefona v drugega, kakor zdaj prenesemo SIM kartico v nov telefon.
Vendar diamantne betavoltaike, ki jih je razvil Arkenlight, ne bodo šle tako daleč. Družba se ukvarja z oblikovanjem, ki združuje veliko svojih beta-baterij na osnovi ogljika-14. Za zagotovitev velike moči bi lahko vsako celico spremljal majhen superkondenzator, ki bi lahko ponudil odlično zmogljivost hitrega praznjenja.
Vendar ima ta radioaktivni material tudi življenjsko dobo več kot 5000 let. Če bi to sevanje iz naprave izteklo v plinasti obliki, bi to lahko bil problem. Tukaj pa vstopijo diamanti. V formaciji diamantov je C-14 trdna snov, zato ni možno, da bi nekontrolirano ušel iz baterije in ga živo bitje ne more absorbirati.
Združenje za atomsko energijo v Združenem kraljestvu (UKAEA) je izračunalo, da bi 100 funtov (približno 45 kg) ogljika-14 lahko omogočilo izdelavo milijone dolgotrajnih baterij na osnovi diamantov. Te baterije bi lahko zmanjšale tudi stroške skladiščenja jedrskih odpadkov.
Raziskovalec z univerze v Bristolu, profesor Tom Scott, je za Nuclear Energy Insider povedal, da bi »z odstranitvijo ogljika-14 iz obsevanega grafita neposredno iz reaktorja ostali odpadki postali manj radioaktivni, zato jih je lažje upravljati in odlagati. Ocene stroškov odstranjevanja grafitnih odpadkov znašajo 46.000 funtov (60.000 USD) na kubični meter za srednje-radioaktivne odpadke [ILW] in 3.000 funtov (4.000 USD) na kubični meter za nizko-radioaktivne odpadke [LLW]. ”
Ali niso vse te lastnosti ena najboljših možnosti za trajnostno prihodnost, ki jo potrebujemo? Bomo morali počakati in preveriti, če bodo proizvajalci našli način, kako se spopasti s proizvodnimi stroški in nizko proizvodnjo električne energije, ter svoje baterije na osnovi diamantov dali na trg stroškovno učinkovito in dostopno.
Povzeto po:
https://interestingengineering.com/Povezava do članka: https://bit.ly/3zTbdY8
