این باتری هسته‌ای جدید نیاز به شارژ ندارد!

گروهی از پژوهشگران موفق به توسعه نوع جدیدی از باتری هسته‌ای به نام سلول بتاولتاییک پروسکایتی (Perovskite Betavoltaic Cell یا PBC) شده‌اند که می‌تواند دستگاه‌های کوچک را برای دهه‌ها بدون نیاز به شارژ مجدد، تغذیه کند.

به گزارش تک‌ناک، پژوهشگران مؤسسه فناوری علم و صنعت Daegu Gyeongbuk (DGIST) به سرپرستی پروفسور Su-Il In با استفاده از ایزوتوپ ناپایدار کربن-۱۴ (Carbon-14) و ترکیب آن با مواد پروسکایت، نوعی باتری هیبریدی با پایداری طولانی‌مدت و بازدهی بالاتر در تبدیل انرژی تولید کرده‌اند.

در این طراحی از نانوذرات رادیواکتیو کربن-۱۴ و نقاط کوانتومی (14CNP/CQD) به عنوان الکترود استفاده کرده‌اند. این اجزا به همراه یک لایه فیلم پروسکایتی که با دو افزودنی کلردار – متیل‌آمونیوم کلرید (MACl) و سزیم کلرید (CsCl) – تقویت شده است، در باتری گنجانده شده‌اند. این افزودنی‌ها ساختار بلوری پروسکایت را پایدارتر و رسانایی الکتریکی را بهتر کرده‌اند. در مقایسه با طراحی‌های قبلی، این تیم حدود ۵۶ هزار برابر بهبود در تحرک الکترون‌ها و ۹ ساعت عملکرد مداوم در آزمایش‌ها ثبت کرده است.

پژوهشگران در این زمینه گفتند: «این مطالعه نخستین نمونه موفق از ادغام مواد پروسکایتی در یک سلول بتاولتاییک است و راه را برای توسعه این فناوری نوین هموار می‌کند.»

سلول‌های بتاولتاییک با تبدیل ذرات بتا (در فرایند واپاشی رادیواکتیو آزاد می‌شوند) به جریان برق، کار می‌کنند. از آنجا که پرتوهای بتا قادر به نفوذ در پوست انسان نیستند و با موادی مثل آلومینیوم قابل مهار هستند، این فناوری از نظر زیستی ایمن تلقی می‌شود. پروفسور Su-Il In توضیح داد: «به این دلیل من ایزوتوپ رادیواکتیو کربن را انتخاب کردم که فقط پرتوهای بتا منتشر می‌کند.» همچنین کربن-۱۴ محصول جانبی راکتورهای هسته‌ای است و از این رو، ارزان، در دسترس و قابل بازیافت است. با توجه به سرعت واپاشی پایین این ایزوتوپ، چنین باتری هسته‌ای می‌توانند برای صدها یا حتی هزاران سال انرژی تولید کنند.

تیم پژوهشی برای افزایش راندمان تبدیل انرژی، از نیمه‌هادی دی‌اکسید تیتانیوم – ماده‌ای رایج در سلول‌های خورشیدی – استفاده کرد و آن را با یک رنگدانه مبتنی بر روتنیوم بهبود داد. با استفاده از یک درمان اسیدی با اسید سیتریک، پیوند میان رنگدانه و دی‌اکسید تیتانیوم تقویت شد. در هنگام برخورد پرتوهای بتا با رنگدانه، واکنش زنجیره‌ای الکترونی به نام «بهمن الکترونی» آغاز و الکترون‌ها از طریق دی‌اکسید تیتانیوم به مدار الکتریکی منتقل می‌شوند.

همچنین پژوهشگران از رادیوکربن هم در آند و هم در کاتد استفاده کردند، که باعث افزایش شدت پرتوهای بتا و کاهش تلفات انرژی در مسیر انتقال شد. این کار، بازده تبدیل انرژی را از ۰.۴۸ درصد در مدل‌های قدیمی باتری هسته‌ای به ۲.۸۶ درصد رساند.

با وجود این، میزان انرژی الکتریکی تولیدشده هنوز از باتری‌های لیتیوم-یونی معمولی پایین‌تر است. به گفته پروفسور In، طراحی بهتر شکل ساطع‌کننده بتا و یافتن جاذب‌های مؤثرتر می‌تواند باعث ارتقای توان خروجی شود.

وی تصریح کرد: «این پژوهش نخستین اثبات عملی برای امکان‌پذیری تجاری سلول‌های بتاولتاییک است. ما قصد داریم فرایند تجاری‌سازی فناوری تأمین انرژی نسل بعد را برای محیط‌های سخت تسریع کنیم و در راستای کوچک‌سازی و انتقال فناوری گام برداریم.»

Junho Lee، دانشجوی دکتری نیز بیان کرد: «با وجود چالش‌های روزمره‌ای که گاه غیرممکن به نظر می‌رسند، ما با حس مأموریتی قوی به این مسیر ادامه می‌دهیم، چراکه آینده کشور ما ارتباط نزدیکی با امنیت انرژی دارد.»

پژوهشگران معتقد هستند با توسعه بیشتر این فناوری، می‌توان از این باتری‌های ایمن هسته‌ای در کاربردهایی همچون پیس‌میکرها، کاوشگرهای فضایی و پهپادها استفاده کرد. پروفسور In عنوان کرد: «ما می‌توانیم انرژی هسته‌ای ایمن را در دستگاه‌هایی به اندازه یک انگشت جای دهیم.»