Nghiên cứu mới: Pin hạt nhân có thể phát điện hàng nghìn năm không cần sạc

Công nghệ này được kỳ vọng sẽ cung cấp nguồn năng lượng lâu dài cho các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp như cảm biến, thiết bị y tế cấy ghép và hệ thống giám sát từ xa.

Các nhà khoa học thuộc Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Vương quốc Anh (UKAEA) và Đại học Bristol đã phát triển một loại pin kim cương sử dụng đồng vị carbon-14.

Đây là dạng pin betavoltaic, công nghệ chuyển đổi năng lượng phát ra từ quá trình phân rã phóng xạ thành điện năng. Nhờ chu kỳ bán rã khoảng 5.730 năm của carbon-14, loại pin này có thể phát điện liên tục trong hàng nghìn năm mà không cần sạc lại.

Carbon-14 là đồng vị phóng xạ quen thuộc, thường được sử dụng trong phương pháp định tuổi bằng carbon phóng xạ để xác định niên đại của các vật liệu hữu cơ.

Khi được chuyển hóa thành kim cương nhân tạo và tích hợp trong cấu trúc pin, carbon-14 trở thành nguồn năng lượng có tuổi thọ rất dài, phù hợp cho những ứng dụng đòi hỏi khả năng hoạt động bền bỉ trong thời gian dài.

Công nghệ này có tiềm năng ứng dụng trong các cảm biến hoạt động dài hạn, thiết bị y tế cấy ghép hoặc các sứ mệnh không gian kéo dài nhiều năm, nơi việc thay thế nguồn điện gặp nhiều khó khăn.

Biến chất thải hạt nhân thành nguồn năng lượng

Pin betavoltaic hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng phát ra từ quá trình phân rã của các đồng vị phóng xạ thành dòng điện.

Trong quá trình phân rã, carbon-14 phát ra các hạt beta. Khi tương tác với vật liệu bán dẫn bên trong pin, các hạt này tạo ra dòng electron, từ đó sinh ra điện năng cung cấp cho thiết bị.

Một trong những điểm đáng chú ý của nghiên cứu là việc tận dụng carbon-14 thu hồi từ chất thải hạt nhân.

Các nhà khoa học đã xử lý những khối graphite từng được sử dụng trong các cơ sở hạt nhân tại Anh để tách carbon-14. Sau đó, lượng vật liệu này được chuyển hóa thành kim cương nhân tạo phục vụ quá trình chế tạo pin.

Cách tiếp cận này không chỉ mở ra khả năng khai thác giá trị từ chất thải hạt nhân mà còn góp phần giảm khối lượng vật liệu phóng xạ cần được lưu trữ trong thời gian dài.

Giải pháp năng lượng siêu bền

Theo nhóm nghiên cứu, carbon-14 được lựa chọn vì phát ra bức xạ beta có tầm tác động ngắn và tương đối dễ kiểm soát.

Để bảo đảm an toàn, vật liệu chứa carbon-14 được bao bọc bên trong lớp kim cương bảo vệ. Lớp vỏ này giúp hấp thụ phần lớn bức xạ phát ra, khiến mức bức xạ bên ngoài pin ở mức rất thấp.

Nhờ chu kỳ bán rã kéo dài khoảng 5.730 năm, pin carbon-14 có thể tiếp tục tạo ra điện năng trong hàng thiên niên kỷ, dù công suất sẽ giảm dần theo thời gian.

Tuy nhiên, công suất đầu ra của loại pin này hiện vẫn thấp hơn rất nhiều so với các loại pin thương mại sử dụng trên điện thoại, máy tính hoặc xe điện.

Vì vậy, các nhà nghiên cứu cho rằng công nghệ này phù hợp nhất với những thiết bị tiêu thụ điện năng rất thấp nhưng cần hoạt động ổn định trong thời gian dài mà không thể hoặc khó thay nguồn điện, như thiết bị y tế cấy ghép, cảm biến công nghiệp, hệ thống giám sát từ xa và các thiết bị phục vụ nghiên cứu không gian.