Η πυρηνική ενέργεια θεωρείται καθαρή πηγή ενέργειας επειδή έχει μηδενικές εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Ωστόσο, παράγει τεράστιες ποσότητες επικίνδυνων, ραδιενεργών αποβλήτων που συσσωρεύονται καθώς κατασκευάζονται όλο και περισσότεροι αντιδραστήρες σε όλο τον κόσμο.
Τι είναι οι radioactive diamond batteries;
Οι ειδικοί έχουν προτείνει διαφορετικές λύσεις για το ζήτημα των ραδιενεργών αποβλήτων προκειμένου να προφυλάσσεται το περιβάλλον και η υγεία των ανθρώπων. Ωστόσο, η ανεπάρκεια ασφαλών χώρων αποθήκευσης για τη διάθεση πυρηνικών αποβλήτων, έχει οδηγήσει σε έρευνα της δυνατότητας επαναχρησιμοποίησης τους.
Οι μπαταρίες ραδιενεργού διαμαντιού (radioactive diamond batteries) αναπτύχθηκαν για πρώτη φορά το 2016 και άμεσα αναγνωρίστηκαν ως ένας νέος, οικονομικός και αποδοτικός τρόπος ανακύκλωσης πυρηνικών αποβλήτων. Οι μπαταρίες αυτές αναπτύχθηκαν για πρώτη φορά από μια ομάδα φυσικών και χημικών από το Cabot Institute for the Environment του Πανεπιστημίου του Μπρίστολ. Η εφεύρεση παρουσιάστηκε ως μια betavoltaic συσκευή η οποία τροφοδοτείται από τη διάσπαση βήτα σε ατομικό επίπεδο των πυρηνικών αποβλήτων.
Η διάσπαση βήτα είναι ένας τύπος ραδιενεργής διάσπασης που συμβαίνει όταν ο πυρήνας ενός ατόμου έχει περίσσεια σωματιδίων και απελευθερώνει μερικά από αυτά για να αποκτήσει μια πιο σταθερή αναλογία πρωτονίων προς νετρόνια. Η διάσπαση αυτή παράγει ένα είδος ιονίζουσας ακτινοβολίας που ονομάζεται ακτινοβολία βήτα, η οποία περιλαμβάνει πολλά ηλεκτρόνια ή ποζιτρόνια υψηλής ταχύτητας και ενέργειας, γνωστά ως σωματίδια βήτα. Τα σωματίδια βήτα περιέχουν ενέργεια που μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω ενός ημιαγωγού.
Μία τυπική betavoltaic κυψέλη αποτελείται από λεπτά στρώματα ραδιενεργού υλικού που τοποθετούνται μεταξύ ημιαγωγών. Καθώς το πυρηνικό υλικό διασπάται, εκπέμπει σωματίδια βήτα που μετακινούν τα ηλεκτρόνια στον ημιαγωγό, δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα. Ωστόσο, η πυκνότητα ισχύος της ραδιενεργής πηγής είναι μικρότερη όσο πιο μακριά βρίσκεται από τον ημιαγωγό.
Επιπλέον, επειδή τα σωματίδια βήτα εκπέμπονται τυχαία προς όλες τις κατευθύνσεις, μόνο ένας μικρός αριθμός από αυτά θα χτυπήσει τον ημιαγωγό και μόνο ένας μικρός αριθμός από αυτά θα μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό σημαίνει ότι οι πυρηνικές μπαταρίες είναι πολύ λιγότερο αποδοτικές από άλλους τύπους μπαταριών.
Οι μπαταρίες ραδιενεργού διαμαντιού κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας μια διαδικασία που ονομάζεται χημική εναπόθεση ατμών (Chemical Vapor Deposition, CVD), η οποία χρησιμοποιείται ευρέως για την κατασκευή τεχνητών διαμαντιών. Χρησιμοποιεί ένα μείγμα πλάσματος υδρογόνου και μεθανίου για την ανάπτυξη μεμβρανών διαμαντιών σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Οι ερευνητές έχουν τροποποιήσει τη διαδικασία CVD για την ανάπτυξη ραδιενεργών διαμαντιών χρησιμοποιώντας ραδιενεργό μεθάνιο που περιέχει το ραδιενεργό ισότοπο άνθρακα-14, το οποίο βρίσκεται σε ακτινοβολημένα μπλοκ γραφίτη που έχουν χρησιμοποιηθεί σε αντιδραστήρες.
Το διαμάντι είναι ένα από τα σκληρότερα υλικά που γνωρίζει η ανθρωπότητα, πιο σκληρό και από το καρβίδιο του πυριτίου. Το διαμάντι μπορεί να λειτουργήσει και ως ραδιενεργός πηγή και ως ημιαγωγός. Η έκθεση του σε ακτινοβολία βήτα έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας μπαταρίας μεγάλης διάρκειας που δεν χρειάζεται να επαναφορτιστεί. Τα πυρηνικά απόβλητα στο εσωτερικό του το τροφοδοτούν ξανά και ξανά, επιτρέποντας του να αυτοφορτίζεται για αιώνες.
Ωστόσο, η ομάδα του Μπρίστολ προειδοποίησε ότι οι μπαταρίες ραδιενεργού διαμαντιού τους δε θα ήταν κατάλληλες για φορητούς υπολογιστές ή smartphone, επειδή περιέχουν μόνο 1gr άνθρακα-14, που σημαίνει ότι παρέχουν πολύ χαμηλή ισχύ - μόνο λίγα μικροβάτ, που είναι λιγότερο από ένα τυπικό Μπαταρία ΑΑ. Ως εκ τούτου, η εφαρμογή τους μέχρι στιγμής περιορίζεται σε μικρές συσκευές που πρέπει να μένουν χωρίς επίβλεψη για μεγάλο χρονικό διάστημα, όπως αισθητήρες και βηματοδότες.
Ραδιενεργές μπαταρίες νανοκρυστάλλων διαμαντιού
Η προέλευση των πυρηνικών μπαταριών μπορεί να εντοπιστεί πίσω στο 1913, όταν ο Άγγλος φυσικός Henry Moseley ανακάλυψε ότι η σωματιδιακή ακτινοβολία θα μπορούσε να δημιουργήσει ηλεκτρικό ρεύμα. Στις δεκαετίες του 1950 και του 1960, η αεροδιαστημική βιομηχανία ενδιαφέρθηκε πολύ για την ανακάλυψη του Moseley, καθώς θα μπορούσε ενδεχομένως να τροφοδοτήσει διαστημόπλοια για αποστολές μεγάλης διάρκειας. Η RCA Corporation ερεύνησε επίσης μια εφαρμογή για πυρηνικές μπαταρίες σε ραδιοφωνικούς δέκτες και βοηθήματα ακοής.
Αλλά χρειάζονταν άλλες τεχνολογίες για να αναπτυχθεί και να εξελιχθεί η εφεύρεση. Από αυτή την άποψη, η χρήση συνθετικών διαμαντιών θεωρείται επαναστατική, καθώς παρέχει ασφάλεια και αγωγιμότητα στη ραδιενεργή μπαταρία. Με την προσθήκη της νανοτεχνολογίας, μια αμερικανική εταιρεία κατασκεύασε μια μπαταρία από νανοκρυστάλλους διαμαντιού υψηλής ισχύος.
Με έδρα το Σαν Φρανσίσκο της Καλιφόρνια, η NDB Inc. ιδρύθηκε το 2012 με στόχο τη δημιουργία μιας καθαρότερης και πιο πράσινης εναλλακτικής λύσης σε σχέση με τις συμβατικές μπαταρίες. Η startup παρουσίασε μία έκδοση μπαταριών με βάση το διαμάντι το 2016 και ανακοίνωσε δύο proof-of-concept δοκιμές το 2020. Είναι μία από τις εταιρείες που επιχειρούν να εμπορευματοποιήσουν μπαταρίες ραδιενεργού διαμαντιού.
Οι μπαταρίες νανοκρυστάλλων διαμαντιού από την NDB περιγράφονται ως μπαταρίες αλφαβολταϊκές, βηταβολταϊκές και νετρονιοβολταϊκές και έχουν πολλά νέα χαρακτηριστικά όπως:
- Αντοχή. Η εταιρεία υπολογίζει ότι οι μπαταρίες θα μπορούσαν να διαρκέσουν έως και 28.000 χρόνια, πράγμα που σημαίνει ότι θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν αξιόπιστα διαστημικά οχήματα σε αποστολές μεγάλης διάρκειας, διαστημικούς σταθμούς και δορυφόρους. Τα drones, τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα και τα αεροσκάφη στη Γη δε θα χρειαζόταν ποτέ να κάνουν στάσεις για να επαναφορτιστούν.
- Ασφάλεια. Το διαμάντι δεν είναι μόνο μια από τις πιο σκληρές ουσίες, αλλά και ένα από τα πιο θερμικώς αγώγιμα υλικά στον κόσμο, δεδομένο που βοηθά στην προστασία από τη θερμότητα που παράγεται από τα ραδιοϊσότοπα με τα οποία είναι κατασκευασμένη η μπαταρία, μετατρέποντάς τα σε ηλεκτρικό ρεύμα πολύ γρήγορα.
- Δυνατότητα χρήσης σε διαφορετικές εφαρμογές. Τα στρώματα λεπτής μεμβράνης πολυκρυσταλλικού διαμαντιού επιτρέπουν στην μπαταρία να παίρνει διάφορα σχήματα και μορφές. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι μπαταρίες νανοκρυστάλλων διαμαντιού μπορούν να είναι πολλαπλών χρήσεων και να εισέλθουν σε διαφορετικές αγορές, από τις προαναφερθείσες διαστημικές εφαρμογές μέχρι ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης. Ωστόσο, η έκδοση για καταναλωτές δε θα διαρκούσε περισσότερο από μια δεκαετία.
Οι μπαταρίες νανοκρύσταλλων διαμαντιού έχουν προγραμματιστεί να βγουν στην αγορά το 2023. Η Arkenlight, η αγγλική εταιρεία από το Bristol που εμπορευματοποιεί τη μπαταρία ραδιενεργού διαμαντιού, σχεδιάζει να κυκλοφορήσει το πρώτο της προϊόν, μια μικρομπαταρία, στην αγορά στο δεύτερο μισό του 2023.
Το μέλλον των μπαταριών με βάση το ραδιενεργό διαμάντι
Η φορητότητα των σύγχρονων ηλεκτρονικών συσκευών, η αυξανόμενη δημοτικότητα των ηλεκτρικών οχημάτων και ο αγώνας του 21ου αιώνα για να πάει η ανθρωπότητα σε μεγάλες διαστημικές αποστολές στον Άρη έχουν προκαλέσει ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για την έρευνα τεχνολογίας μπαταριών τα τελευταία χρόνια. Ορισμένοι τύποι μπαταριών είναι πιο κατάλληλοι για ορισμένες εφαρμογές και όχι τόσο κατάλληλοι για άλλες. Αλλά μπορούμε να πούμε ότι οι συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου που γνωρίζουμε δεν θα αντικατασταθούν με μπαταρίες ραδιενεργού διαμαντιού σύντομα.
Οι συμβατικές μπαταρίες διαρκούν μικρότερο χρόνο, αλλά είναι επίσης πολύ φθηνότερες στην κατασκευή τους. Ωστόσο, το γεγονός ότι δε διαρκούν τόσο πολύ (έχουν διάρκεια ζωής περίπου πέντε χρόνια) δημιουργεί προβλήματα γιατί παράγουν πολλά απόβλητα, τα οποία δεν ανακυκλώνονται εύκολα.
Οι μπαταρίες ραδιενεργού διαμαντιού είναι πιο βολικές, επειδή έχουν πολύ μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από τις συμβατικές μπαταρίες. Εάν μπορούν να αναπτυχθούν με τη μορφή μιας μπαταρίας γενικών χρήσων, όπως προτείνει η NDB Inc., θα μπορούσαμε να έχουμε μπαταρίες για smartphones που διαρκούν πολύ περισσότερο από τη διάρκεια ζωής του smartphone και θα μπορούσαμε απλά να αλλάξουμε την μπαταρία από το ένα τηλέφωνο στο άλλο, όπως μεταφέρουμε τώρα την κάρτα SIM.
Ωστόσο, οι βηταβολταϊκές μπαταρίες διαμαντιών που αναπτύχθηκαν από την Arkenlight δε θα πάνε τόσο μακριά. Η εταιρεία εργάζεται σε σχέδια που στοιβάζουν πολλές από τις βηταβολταϊκές μπαταρίες της με βάση τον άνθρακα-14 βήτα σε κυψέλες. Για την παροχή υψηλής ισχύος εκφόρτισης, κάθε στοιχείο της μπαταρίας θα μπορούσε να συνοδεύεται από έναν μικρό υπερπυκνωτή, ο οποίος θα μπορούσε να προσφέρει εξαιρετική ικανότητα γρήγορης εκφόρτισης.
Ωστόσο, αυτό το ραδιενεργό υλικό έχει επίσης διάρκεια ζωής άνω των 5000 ετών. Εάν αυτή η ακτινοβολία διαρρεύσει από τη συσκευή σε αέρια μορφή, θα μπορούσε να δημιουργήσει σοβαρά προβλήματα. Εκεί ακριβώς είναι η διαφορά με τα διαμάντια. Σε μορφή διαμαντιού, ο άνθρακας-14 έχει στερεά μορφή, επομένως δε μπορεί να διαφύγει και να απορροφηθεί από ένα ζωντανό ον.
Η Αρχή Ατομικής Ενέργειας του Ηνωμένου Βασιλείου (UKAEA) υπολόγισε ότι 100 λίβρες (περίπου 45 κιλά) άνθρακα-14 θα μπορούσαν να επιτρέψουν την κατασκευή εκατομμυρίων μπαταριών μεγάλης διάρκειας με βάση το διαμάντι. Αυτές οι μπαταρίες είναι προφανές επίσης ότι θα μπορούσαν να μειώσουν το κόστος αποθήκευσης πυρηνικών αποβλήτων.
Ο ερευνητής του Πανεπιστημίου του Bristol, καθηγητής Tom Scott, δήλωσε στο Nuclear Energy Insider: «Η αφαίρεση του άνθρακα-14 από τον χρησιμοποιημένο σε αντιδραστήρες γραφίτη, θα καθιστούσε τα εναπομείναντα απόβλητα λιγότερο ραδιενεργά και επομένως ευκολότερα στη διαχείριση και απόρριψη. Οι εκτιμήσεις κόστους για τη διάθεση των αποβλήτων γραφίτη είναι 46.000 λίρες (60.000 $) ανά κυβικό μέτρο για τα απόβλητα μέσης στάθμης [ILW] και 3.000 λίρες (4.000 $) ανά κυβικό μέτρο για τα απόβλητα χαμηλής στάθμης [LLW]».
Τελικά όλα αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τις μπαταρίες ραδιενεργού διαμαντιού μία από τις καλύτερες επιλογές για το βιώσιμο μέλλον που χρειαζόμαστε; Θα πρέπει να περιμένουμε και να δούμε εάν οι κατασκευαστές μπορούν να βρουν έναν τρόπο να αντιμετωπίσουν το κόστος παραγωγής και τη χαμηλή παραγωγή ενέργειας και να διαθέσουν τις μπαταρίες αυτές στην αγορά οικονομικά και προσιτά.
Με πληροφορίες από thebrightside.news
