پژوهشگران چینی موفق به توسعه نسل جدید باتری هسته‌ای کربن-۱۴ شده‌اند که می‌تواند برای ۵۷۳۰ سال برق تولید کند.
به گزارش سرویس انرژی تکناک، این دستاورد حاصل همکاری پژوهشگران دانشگاه Northwest Normal University و شرکت Gansu Zhulong Technology است. محققان در این پروژه از ایزوتوپ رادیواکتیو کربن-۱۴ به همراه نیمه‌رسانای کاربید سیلیکون (SiC) استفاده کرده‌اند تا نسل تازه‌ای از باتری‌های هسته‌ای را تولید کنند. این فناوری بخشی از برنامه چین برای توسعه باتری‌های هسته‌ای کوچک، قدرتمند و اقتصادی است که بتوانند علاوه بر مأموریت‌های فضایی، در کاربردهای صنعتی نیز مورد استفاده قرار گیرند.
باتری‌های هسته‌ای که با نام باتری‌های رادیوایزوتوپی نیز شناخته می‌شوند، برخلاف باتری‌های شیمیایی متداول، انرژی خود را از واپاشی طبیعی مواد رادیواکتیو دریافت می‌کنند. در این نوع باتری‌ها، انرژی آزادشده در اثر واپاشی هسته‌ای به جریان الکتریکی تبدیل میشود. از آنجا که نیمه‌عمر بسیاری از ایزوتوپ‌های رادیواکتیو بسیار طولانی است، این باتری‌ها می‌توانند ده‌ها، صدها یا حتی هزاران سال بدون نیاز به شارژ مجدد یا تعویض، برق تولید کنند.
این ویژگی باعث شده است که باتری‌های هسته‌ای طی چند دهه گذشته در مأموریت‌های فضایی نقش مهمی ایفا کنند. ناسا از این فناوری در کاوشگرهای مشهور Voyager که در سال ۱۹۷۷ به فضا پرتاب شدند، همچنین در مریخ‌نورد Curiosity استفاده کرده است. چین نیز در مأموریت‌های ماه‌نورد Chang’e-3 و Chang’e-4 از باتری‌های هسته‌ای برای تأمین انرژی تجهیزات خود بهره برده است. با وجود این، تمرکز جدید چین بر کوچک‌سازی این فناوری و ورود آن به کاربردهای صنعتی، فصل تازه‌ای در توسعه این نوع منابع انرژی به حساب می‌آید.
مرتبط: حفظ باتری گوشی در بحران قطعی برق + ۲۰ راهکار کاربردی
تیم تحقیقاتی دانشگاه نورث وسترن نخستین نمونه از باتری هسته‌ای مبتنی بر کربن-۱۴ را در سال ۲۰۲۴ معرفی کرده بود. آن محصول با نام Candle Dragon-I یا Zhulong-1 شناخته می‌شد و بیشتر به‌عنوان یک نمونه آزمایشی برای اثبات امکان استفاده از این فناوری توسعه یافته بود.
اکنون نسل جدید این باتری با نام Qianjiyuan Tianshu معرفی شده است. پژوهشگران اعلام کرده‌اند که این محصول نسبت به نسل قبل پیشرفت‌های قابل توجهی را تجربه کرده است. یکی از مهم‌ترین دستاوردها، افزایش ۲.۶ برابری توان خروجی بدون تغییر در ولتاژ و پایداری عملکرد باتری است. این پیشرفت در حالی به دست آمده که میزان ماده رادیواکتیو مورد استفاده به حدود ۲۲ درصد محدود شده است؛ موضوعی که علاوه بر کاهش هزینه، مدیریت ایمنی را نیز آسان‌تر می‌کند.
«سو مائوگن»، سرپرست این پروژه اعلام کرد که نمونه‌های اولیه این فناوری با مشکلاتی مانند توان پایین، هزینه تولید زیاد و دشواری در یکپارچه‌سازی روبه‌رو بودند. به گفته او، هدف اصلی تیم تحقیقاتی طراحی محصولی کوچک، پرقدرت، مقرون‌به‌صرفه و کاملاً متکی بر فناوری داخلی چین بوده است.
مرتبط: باتری‌های سیلیکون کربن چطور عمر باتری گوشی‌ها را متحول کرد
پژوهشگران پنج بهبود اساسی را برای این نسل جدید برشمرده‌اند. نخستین مورد، استفاده از منبع رادیواکتیو با طراحی بهینه‌تر است که بازده تبدیل انرژی را افزایش می‌دهد. دومین پیشرفت، طراحی سه‌بعدی و چندلایه باتری است که ضمن کاهش فضای اشغال‌شده، امکان یکپارچه‌سازی بهتر را فراهم می‌کند. سومین ویژگی، استفاده از سامانه مدیریت توان فوق‌کم‌مصرف است که عملکرد پایدار باتری را تضمین می‌کند. چهارمین ارتقا، افزودن حسگرهای داخلی برای ایجاد قابلیت عملکرد خودکار و خودتأمین است. در نهایت، استفاده از مبدل کاربید سیلیکون تولید داخل چین، بازده تبدیل انرژی را نسبت به نسل قبل به میزان قابل توجهی افزایش داده است.
ابعاد این باتری تنها ۱۶.۸ سانتی‌متر مکعب است؛ یعنی تقریباً کمی بزرگ‌تر از یک مکعب با ضلع ۲.۵ سانتی‌متر می‌باشد. این باتری با استفاده از ۱۲۹ میلی‌کوری کربن-۱۴، ولتاژی برابر با ۲.۰۶ ولت تولید می‌کند و جریان خروجی آن به ۰.۷۱۳ میکروآمپر می‌رسد. حداکثر توان خروجی نیز حدود ۱.۱۳ میکرووات اعلام شده است. هرچند این میزان توان برای تجهیزات پرمصرف کافی نیست، اما برای حسگرهای کم‌مصرف، سامانه‌های پایش محیطی، تجهیزات پزشکی کاشتنی و بسیاری از دستگاه‌های اینترنت اشیا کاملاً مناسب خواهد بود.
مرتبط: باتری جامد سرامیکی غیرقابل اشتعال ساخته شد
تفاوت اصلی این فناوری با باتری‌های هسته‌ای متداول در روش تولید برق است. در سامانه‌های رایج، گرمای حاصل از واپاشی مواد رادیواکتیو توسط مبدل‌های ترموالکتریک به انرژی الکتریکی تبدیل میشود. این روش به تجهیزات حجیم و دمای عملیاتی بالا نیاز دارد.
اما باتری هسته‌ای کربن-۱۴ جدید چین از فناوری بتاولتائیک استفاده می‌کند. در این روش، ذرات بتای حاصل از واپاشی کربن-۱۴ مستقیماً به نیمه‌رسانای کاربید سیلیکون برخورد می‌کنند و بدون نیاز به تولید گرما، جریان الکتریکی ایجاد میشود. پژوهشگران عملکرد این سامانه را مشابه پنل‌های خورشیدی توصیف کرده‌اند؛ با این تفاوت که به جای نور خورشید، از تابش رادیواکتیو برای تولید برق استفاده می‌کند.
اگرچه حجم این باتری نسبت به نسل قبلی تنها حدود ۱۷ درصد کاهش یافته، اما چگالی توان حجمی آن نزدیک به ۱۵ برابر افزایش یافته است. این موضوع نشان می‌دهد که بخش عمده پیشرفت‌های حاصل‌شده به بهینه‌سازی ساختار داخلی و افزایش بازده تبدیل انرژی مربوط میشود و صرفاً به کوچک‌تر شدن ابعاد باتری مربوط نبوده است.
مرتبط: ساخت باتری جدید با سیستم ذخیره کارآمد و ارزان
یکی از مهم‌ترین مزیت‌های این فناوری، طول عمر فوق‌العاده آن است. ایزوتوپ کربن-۱۴ دارای نیمه‌عمری برابر با ۵۷۳۰ سال است. به همین دلیل، این باتری می‌تواند برای هزاران سال انرژی تولید کند و بدون نیاز به شارژ یا تعویض، در سامانه‌هایی فعالیت کند که دسترسی به آنها دشوار یا غیرممکن است.
کارشناسان معتقد هستند که این فناوری در آینده می‌تواند در تجهیزات فضایی، حسگرهای محیطی، سامانه‌های زیرآبی، تجهیزات نظامی، دستگاه‌های پزشکی کاشتنی و شبکه گسترده اینترنت اشیا کاربردهای فراوانی پیدا کند. اگر چین بتواند توان خروجی این باتری‌ها را در نسل‌های آینده افزایش و هزینه تولید آنها را کاهش دهد، باتری‌های هسته‌ای کوچک ممکن است به یکی از مهم‌ترین منابع انرژی برای تجهیزات الکترونیکی فوق‌کم‌مصرف در دهه‌های آینده تبدیل شوند.
