Bu Piller Nükleer Atıklardan Üretiliyor ve Binlerce Yıl Dayanabiliyor

Radyoaktif Elmas Piller Nükleer Atıklara Çözüm Olabilir mi?

Nükleer enerji, sıfır karbondioksit emisyonuna sahip olduğu için temiz bir enerji kaynağı olarak kabul edilir; ancak aynı zamanda, dünya çapında giderek daha fazla reaktör inşa edildikçe biriken büyük miktarlarda tehlikeli, radyoaktif atık üretir.

Uzmanlar, çevreye ve insan sağlığına daha iyi bakabilmek için bu konuda farklı çözümler önermişlerdir. Nükleer atıkların bertarafı için yeterli güvenli depolama alanı olmadığından, bu fikirlerin odak noktası malzemelerin yeniden kullanımıdır.

Radyoaktif elmas piller ilk olarak 2016 yılında geliştirildi ve nükleer atıkların geri dönüşümü için yeni ve uygun maliyetli bir yol vaat ettiği için hemen beğeni topladı. Bu bağlamda, bu zehirli, ölümcül atıklar için nihai çözüm olup olmadıklarını tartışmak gerek.

Radyoaktif Elmas Piller Nedir? (teknik)
Radyoaktif elmas piller ilk olarak Bristol Üniversitesi Cabot Çevre Enstitüsü’nden fizikçi ve kimyagerlerden oluşan bir ekip tarafından geliştirilmiştir. Buluş betavoltaik bir cihaz olarak sunuldu, yani nükleer atıkların beta bozunumu ile çalışıyor.

Beta bozunumu, bir atomun çekirdeğinde fazla parçacık olduğunda ve daha kararlı bir proton-nötron oranı elde etmek için bunların bir kısmını serbest bıraktığında meydana gelen bir radyoaktif bozunma türüdür. Bu, beta parçacıkları olarak bilinen çok sayıda yüksek hızlı ve yüksek enerjili elektron veya pozitron içeren beta radyasyonu adı verilen bir tür iyonlaştırıcı radyasyon üretir.Beta decay

Beta parçacıkları, bir yarı iletken aracılığıyla elektrik enerjisine dönüştürülebilen nükleer enerjiyi içerir.

Tipik bir betavoltaik hücre, yarı iletkenler arasına yerleştirilmiş ince radyoaktif malzeme katmanlarından oluşur. Nükleer madde bozunurken, yarı iletkende elektronları serbest bırakan ve bir elektrik akımı yaratan beta parçacıkları yayar.

Ancak, radyoaktif kaynağın güç yoğunluğu yarı iletkenden uzaklaştıkça daha düşüktür. Bunun da ötesinde, beta parçacıkları her yöne rastgele yayıldığından, sadece küçük bir kısmı yarı iletkene çarpacak ve bunların sadece küçük bir kısmı elektriğe dönüştürülecektir. Bu da nükleer pillerin diğer pil türlerine göre çok daha az verimli olduğu anlamına gelir. Polikristal elmas (PCD) işte bu noktada devreye giriyor.

Radyoaktif elmas piller, yapay elmas üretiminde yaygın olarak kullanılan kimyasal buhar biriktirme adı verilen bir işlem kullanılarak üretiliyor. Çok yüksek sıcaklıklarda elmas filmleri büyütmek için bir hidrojen ve metan plazma karışımı kullanır. Araştırmacılar, ışınlanmış reaktör grafit bloklarında bulunan radyoaktif Karbon-14 izotopunu içeren radyoaktif bir metan kullanarak radyoaktif elmas yetiştirmek için CVD sürecini modifiye ettiler.

Elmas insanlığın bildiği en sert malzemelerden biridir – silisyum karbürden bile daha serttir. Ve hem radyoaktif bir kaynak hem de yarı iletken olarak hareket edebilir. Onu beta radyasyonuna maruz bırakırsanız, yeniden şarj edilmesi gerekmeyen uzun ömürlü bir pil elde edersiniz. İçindeki nükleer atık onu tekrar tekrar besleyerek yıllarca kendi kendini şarj etmesini sağlar.

Ancak Bristol ekibi, radyoaktif elmas pillerinin dizüstü bilgisayarlar veya akıllı telefonlar için uygun olmayacağı konusunda uyardı, çünkü sadece 1 g karbon-14 içeriyorlar, bu da çok düşük güç sağladıkları anlamına geliyor – sadece birkaç mikrowatt, bu da tipik bir AA pilden daha az. Bu nedenle, şimdiye kadarki uygulamaları sensörler ve kalp pilleri gibi uzun süre gözetimsiz kalması gereken küçük cihazlarla sınırlıdır.

Nano Elmas Radyoaktif Piller
Nükleer pillerin kökeni, İngiliz fizikçi Henry Moseley’in parçacık radyasyonunun bir elektrik akımı oluşturabileceğini keşfettiği 1913 yılına kadar uzanmaktadır. 1950’lerde ve 1960’larda havacılık endüstrisi, uzun süreli görevler için uzay araçlarına potansiyel olarak güç sağlayabileceği için Moseley’in keşfiyle çok ilgilendi. RCA Corporation da nükleer pillerin radyo alıcılarında ve işitme cihazlarında kullanımını araştırdı.

Ancak buluşu geliştirmek ve sürdürmek için başka teknolojilere ihtiyaç vardı. Bu bağlamda, sentetik elmasların kullanımı, radyoaktif bataryaya güvenlik ve iletkenlik sağladığı için devrim niteliğinde görülüyor. Nanoteknolojinin de eklenmesiyle bir Amerikan şirketi yüksek güçlü bir nano-elmas pil üretti.

Synthetic nano-diamond crystals

Merkezi San Francisco, Kaliforniya’da bulunan NDB Inc. 2012 yılında geleneksel pillere daha temiz ve daha çevreci bir alternatif yaratmak amacıyla kurulmuştur. Girişim, 2016 yılında elmas tabanlı pil versiyonunu tanıttı ve 2020’de iki kavram kanıtlama testini duyurdu. Radyoaktif elmas pilleri ticarileştirmeye çalışan firmalardan biridir.

NDB’nin nano-elmas pilleri alfa, beta ve nötron voltaik piller olarak tanımlanıyor ve web sitelerine göre birkaç yeni özelliğe sahip.

Dayanıklılık:
Firma pillerin 28.000 yıla kadar dayanabileceğini hesaplıyor; bu da uzun süreli görevlerde uzay araçlarına, uzay istasyonlarına ve uydulara güvenilir bir şekilde güç sağlayabilecekleri anlamına geliyor. Dünya üzerindeki dronlar, elektrikli arabalar ve uçakların şarj olmak için asla durmaları gerekmeyecektir.

Güvenlik:
Elmas sadece en sert maddelerden biri değil, aynı zamanda dünyadaki termal olarak en iletken malzemelerden biridir, bu da pilin inşa edildiği radyoizotoplar tarafından üretilen ısıya karşı korunmaya yardımcı olur ve onu çok hızlı bir şekilde elektrik akımına dönüştürür.

Pazar dostu:
Bunların içindeki ince film PCD katmanları, pilin farklı şekil ve formlara izin vermesini sağlar. Bu nedenle nano-elmas piller çok amaçlı olabilir ve yukarıda bahsedilen uzay uygulamalarından tüketici elektroniğine kadar farklı pazarlara girebilir. Ancak tüketici versiyonu on yıldan fazla dayanmayacaktır.

Nano-elmas pillerin 2023 yılında piyasaya çıkması planlanıyor.

Radyoaktif Elmas Bazlı Pillerin Geleceği
Modern elektronik cihazların taşınabilirliği, elektrikli araçların artan popülaritesi ve 21. Yüzyılda insanlığı Mars’a uzun uzay görevlerine götürme yarışı, son birkaç yılda batarya teknolojisi araştırmalarına olan ilginin artmasını tetiklemiştir.

Bazı pil türleri belirli uygulamalar için daha uygunken diğerleri için o kadar kullanışlı değildir. Ancak aşina olduğumuz geleneksel lityum-iyon pillerin yakın zamanda radyoaktif elmas pillerle değiştirilmeyeceğini söyleyebiliriz.

Geleneksel piller daha kısa ömürlüdür, ancak üretimleri de çok daha ucuzdur. Ancak aynı zamanda çok uzun ömürlü olmamaları (yaklaşık beş yıl ömürleri vardır) sorunludur, çünkü geri dönüşümü kolay olmayan büyük miktarda elektronik atık da üretirler.

Radyoaktif elmas piller daha kullanışlıdır, çünkü geleneksel pillerden çok daha uzun ömürlüdürler. Eğer NDB Inc. tarafından önerildiği gibi evrensel bir pil olarak geliştirilebilirlerse, akıllı telefonun ömründen çok daha uzun süre dayanan akıllı telefon pillerine sahip olabiliriz ve şu anda SIM kartı transfer ettiğimiz gibi pili bir telefondan diğerine kolayca değiştirebiliriz.

Ancak Arkenlight tarafından geliştirilen elmas betavoltaikler o kadar ileri gitmeyecek. Şirket, çok sayıda karbon-14 betabataryalarını hücreler halinde istifleyen tasarımlar üzerinde çalışıyor. Yüksek güç deşarjı sağlamak için, her bir hücreye mükemmel bir hızlı deşarj kabiliyeti sunabilecek küçük bir süper kapasitör eşlik edebilir.

Ancak bu radyoaktif maddenin de 5000 yıldan fazla bir ömrü vardır. Eğer bu radyasyon gaz halinde cihazdan dışarı sızarsa, bu bir sorun olabilir. İşte elmaslar burada devreye giriyor. Elmas oluşumunda C-14 katıdır, bu nedenle bir canlı tarafından çıkarılamaz ve emilemez.

Birleşik Krallık Atom Enerjisi Kurumu (UKAEA), 100 pound (yaklaşık 45 kg) karbon-14’ün milyonlarca uzun süreli elmas bazlı pilin üretilmesine olanak sağlayabileceğini hesapladı. Bu piller aynı zamanda nükleer atık depolama maliyetlerini de azaltabilir.

Bristol Üniversitesi araştırmacısı Profesör Tom Scott Nuclear Energy Insider’a şunları söyledi: “Karbon-14’ün ışınlanmış grafitten doğrudan reaktörden çıkarılması, kalan atık ürünleri daha az radyoaktif hale getirecek ve bu nedenle yönetilmesi ve bertaraf edilmesi daha kolay olacaktır. Grafit atığın bertaraf edilmesine ilişkin maliyet tahminleri Orta Seviye Atık [ILW] için metreküp başına 46.000 pound (60.000 $) ve Düşük Seviye Atık [LLW] için metreküp başına 3.000 pound (4.000 $).”

Tüm bu özellikler onları ihtiyacımız olan sürdürülebilir gelecek için en iyi seçeneklerden biri yapmıyor mu? Üreticilerin üretim maliyetleri ve düşük enerji çıkışı ile başa çıkmanın bir yolunu bulup bulamayacaklarını ve elmas bazlı pillerini uygun maliyetli ve erişilebilir bir şekilde piyasaya sürüp süremeyeceklerini bekleyip göreceğiz.

Kaynak