Ang Bateryang Tatagal ng 5,700 Taon: Paano Ginawang Halos Walang-Hanggang Pinagmumulan ng Enerhiya ng mga Siyentipiko ang Basurang Nuklear

Pinagmumulan ng Enerhiyang Tatagal Lampas sa Kabihasnan

Isipin ang isang aparatong hindi kailanman kailangang i-charge. Kahit minsan sa buong buhay mo. Hindi rin sa buong buhay ng iyong mga anak, apo, o maging mga apo sa tuhod. Mula sa kathang-isip tungo sa realidad sa laboratoryo ang bisyong ito noong Disyembre 2024, nang ilantad ng mga mananaliksik sa University of Bristol at UK Atomic Energy Authority ang isang prototype na kumukuwestiyon sa lahat ng inaakala natin tungkol sa pag-iimbak ng enerhiya.

Lumilikha ng kuryente ang carbon-14 diamond battery sa pamamagitan ng radioactive decay na may half-life na 5,700 taon. Ibig sabihin, nananatili ang kalahati ng orihinal nitong lakas matapos ang halos anim na milenyo, sapat na panahon para pagdugtungin ang pagitan ng mga sinaunang kabihasnan at makabagong teknolohiya. Di-gaya ng mga lithium-ion battery na humihina sa loob ng ilang taon, o maging ng mga solar panel na nangangailangan ng sikat ng araw, tuluy-tuloy na gumagana ang pinagmumulan ng enerhiyang ito, na nakaselyo sa loob ng pinakamatigas na likas na materyal na kilala sa Daigdig.

Pinamumunuan ni Professor Tom Scott, Propesor ng Materyales sa University of Bristol, ang pangkat sa likod ng inobasyong ito. Ilang taon nang bumubuo ang kanyang pangkat ng mga paraan para gawing kapaki-pakinabang na pinagmumulan ng enerhiya ang mga radioactive na materyal. Nagbunga ito ng proof-of-concept na aparatong maaaring magbago sa pananaw natin tungkol sa pagpapagana ng mga device sa mga lugar na mahirap marating. Mahalagang yugto ang anunsyo sa pananaliksik sa mga materyal na nuklear, dahil ipinakikita nitong maaaring maging yaman sa halip na pananagutan ang mga basurang nagmumula sa mga fission reactor.

Sumasalungat sa nakasanayang pag-unawa sa pag-iimbak ng enerhiya ang haba ng buhay ng baterya. Karaniwang tumatagal ang mga rechargeable battery ngayon ng 500 hanggang 1,000 cycle ng pag-charge bago kapansin-pansing humina, ngunit kapaki-pakinabang pa rin ang diamond-based na aparatong ito kahit ang mga rekord pangkasaysayan ngayon ay naging mga bagay na lamang na pinag-aaralan ng arkeolohiya. Nagbibigay ang pinagbabatayang pisika ng carbon-14 decay ng maaasahang takbo na hindi matutumbasan ng mga chemical battery.

Dahil sa katatagang ito, partikular na mahalaga ang teknolohiya para sa mga gamit kung saan hindi maaaring pumalya ang aparato at imposibleng magsagawa ng maintenance. Hindi lamang unti-unting pag-unlad sa chemistry ng baterya ang prototype, kundi isang ganap na bagong pag-iisip kung paano mapatatakbo ang mga device sa loob ng mga siglong panahunan sa halip na mga oras.

Paano Nagiging Kuryente ang Radioactive Decay

Para maunawaan kung paano gumagana ang bateryang ito, isaalang-alang ang mga prinsipyong ginagamit ng mga solar panel. Kumukuha ng enerhiya mula sa mga partikulo ng liwanag na tinatawag na photon ang mga tradisyonal na photovoltaic cell at ginagawa itong kuryente. Gumagana ang diamond battery sa katulad na prinsipyong tinatawag na beta-voltaics, ngunit sa halip na sikat ng araw, kinukuha nito ang mabilis na mga electron na inilalabas ng nabubulok na mga atom ng carbon-14.

Kilalang-kilala sa arkeolohiya ang carbon-14, isang radioactive isotope na ginagamit ng mga siyentipiko upang tukuyin ang edad ng mga sinaunang organikong materyal batay sa mahuhulaang bilis ng pagkabulok nito. Naglalabas ang isotope ng beta radiation na may maikling saklaw habang nabubulok ito, at naglalabas din ng mga electron na may mataas na enerhiya. Sa diamond battery, nakabaon ang carbon-14 sa mga suson ng sintetikong diyamanteng pinalaki sa laboratoryo. Habang nabubulok ang isotope, naglalabas ito ng mga beta particle na ginagawang kuryente ng mga katangiang semiconductor ng diyamante.

Dalawang tungkulin ang ginagampanan ng istruktura ng diyamante: lumilikha ito ng enerhiya habang nagsisilbi ring panangga laban sa radiation na hindi tinatagos. Dahil maikli lamang ang saklaw ng inilalabas na radiation ng carbon-14, sinisipsip ng balot na diyamante ang lahat ng posibleng mapanganib na emisyon. Walang radiation na lumalabas sa aparato habang normal itong gumagana, kaya ligtas ito para sa mga medical implant at gamit ng mga mamimili.

Ipinaliwanag ni Sarah Clark, Direktor ng Tritium Fuel Cycle sa UKAEA, ang mekanismong pangkaligtasan ng teknolohiyang ito.

Nag-aalok ang mga diamond battery ng ligtas at napapanatiling paraan para makapagbigay ng tuluy-tuloy na lakas na nasa antas ng microwatt. Isa itong umuusbong na teknolohiyang gumagamit ng ginawang diyamante upang ligtas na ikulong ang kaunting carbon-14.

Tinatayang 10 milimetro por 10 milimetro ang sukat ng mga prototype na baterya at hanggang 0.5 milimetro naman ang kapal. Nagbibigay ang compact na disenyong ito ng tuluy-tuloy na lakas na nasa antas ng microwatt, sapat para sa mga aparatong kaunti ang konsumo ng enerhiya ngunit malayong maabot ang pangangailangan ng mga smartphone o de-kuryenteng sasakyan.

Ginagawang Enerhiya ang Basurang Nuklear

Marahil ang pinakakahanga-hangang aspeto ng teknolohiyang ito ay ang pinagmumulan nitong materyal. Galing sa mga bloke ng grapayt na inalis mula sa mga nuclear fission reactor ang carbon-14 na ginagamit sa mga bateryang ito. Kung hindi gagamitin, mangangailangan ang materyal na ito ng magastos at pangmatagalang imbakan bilang basurang radioactive. Tinatayang 95,000 tonelada ng mga bloke ng grapayt na ito ang hawak ng United Kingdom lamang, na kapwa hamon sa pag-iimbak at di-nagagamit na yaman.

Sa pagkuha ng carbon-14 mula sa grapayt ng reactor, sabay na nababawasan ng mga siyentipiko ang dami ng basurang nuklear at nakakalikha sila ng mahalagang mapagkukunan ng enerhiya. Kabilang sa proseso ang paglalagay ng radioactive na materyal sa loob ng sintetikong diyamanteng pinalalaki sa pamamagitan ng plasma-enhanced chemical vapor deposition. Gumawa ang mga inhinyero sa Culham Campus ng UKAEA ng espesyal na plasma deposition rig upang tumpak na malikha ang mga suson ng diyamanteng ito, ligtas na ikulong ang radioactive na materyal at mapahusay ang pagkuha ng enerhiya.

Direktang nagmula sa pananaliksik sa fusion energy ang pamamaraang ito sa paggawa. Nailapat sa proyekto ng diamond battery ang kadalubhasaan ng UKAEA sa paghawak ng radioactive na materyal, plasma deposition, at espesyalisadong paggawa ng semiconductor, na unang binuo para sa mga tokamak reactor. Ipinakikita ng pagtutulungang ito kung paanong nagbubunga ng di-inaasahang praktikal na aplikasyon ang pamumuhunan sa pananaliksik sa pundamental na pisika.

Binigyang-diin ni Professor Neil Fox, Propesor ng Materyales para sa Enerhiya sa University of Bristol, ang mga katangiang pananggalang ng balot na diyamante.

Ang diyamante ang pinakamatigas na materyal na kilala ng tao; literal na wala nang ibang magagamit na magbibigay ng higit na proteksiyon.

Kapag tuluyan nang hindi nagagamit ang baterya, maaari itong ibalik sa mga tagagawa para sa kontroladong pagre-recycle o pagtatapon. Ligtas na nananatiling nakakulong ang carbon-14 sa buong siklo ng paggamit nito, kaya natutugunan ang mga pangangailangan sa enerhiya at mga alalahanin sa kapaligiran. Kayang maghatid ng isang gramo ng carbon-14 ng 15 joule na kuryente bawat araw, at tumagal nang ilang siglo lampas sa mga karaniwang baterya.

Mga Gamit Kung Saan Mas Mahalaga ang Tagal Kaysa Lakas

Lakas na nasa antas ng microwatt ang ibinibigay ng diamond battery, na mas mababa kaysa kinakailangan ng mga smartphone o de-kuryenteng sasakyan. Gayunman, nagiging bentahe ang limitasyong ito sa mga partikular na sitwasyong mas mahalaga ang tagal at pagiging maaasahan kaysa sa lakas ng output. Mahusay ang teknolohiyang ito sa mga lugar kung saan mapanganib, magastos, o imposibleng palitan ang baterya.

Isa sa mga may pinakamalaking potensiyal na larangan ang mga medical implant. Umaasa sa mga tradisyonal na baterya ang mga pacemaker, hearing aid, at aparatong pangmata ngayon, na kailangang palitan sa pamamagitan ng operasyon tuwing lima hanggang sampung taon. May panganib ng impeksiyon at komplikasyon, at kailangan din ng panahon para gumaling sa bawat pagpapalit. Kayang paandarin ng diamond battery ang mga aparatong ito sa buong buhay ng pasyente, kaya maiiwasan ang paulit-ulit na operasyon at mababawasan ang gastusin sa pangangalagang pangkalusugan. Para sa mga pasyente sa malalayong lugar na limitado ang akses sa mga pasilidad medikal, maaaring makapagpabago ng buhay ang ganitong tagal.

Angkop din ang teknolohiyang ito sa eksplorasyon sa kalawakan. Tuluyan ding nawawalan ng ugnayan ang mga deep-space probe at satellite kapag hindi na nakakakuha ng sapat na sikat ng araw ang mga solar panel o nauubos na ang mga karaniwang baterya. Umaasa ang Voyager 1, ang pinakamalayong bagay na ginawa ng tao mula sa Daigdig, sa mga tradisyonal na nuclear battery na may limitadong tagal ng buhay. Maaaring panatilihin ng pinagmumulan ng enerhiyang carbon-14 na gumagana ang mga instrumento at sistema ng komunikasyon sa loob ng mga dekada o siglo, na magbibigay-daan sa mga misyong lalampas sa kasalukuyang hangganan ng teknolohiya.

Maaaring masubaybayan sa loob ng libu-libong taon ang mga radio frequency tag sa mga sasakyang pangkalawakan o kargamento, kaya mababawasan ang gastos sa operasyon at hahaba ang mga misyon. Mabisa ang baterya sa matitinding temperaturang mula minus 60 digri Celsius hanggang plus 120 digri Celsius nang hindi kusang nauubos ang karga, kaya mainam ito sa mahihirap na kapaligiran.

Kabilang sa mga gamit sa malalayong lugar sa Daigdig ang mga istasyon ng pagmamanman sa Arctic, mga sensor sa ilalim ng dagat para sa imprastraktura ng langis at gas, at mga aparatong panseguridad sa mga lugar na mahirap marating. Maaaring gamitin ang teknolohiyang ito sa anumang sistemang kailangang gumana nang ilang dekada nang walang nag-aasikaso rito. Kayang kumilala at sumubaybay ng mga aktibong radio frequency tag sa loob ng maraming dekada sa mga aparatong nasa Daigdig o kalawakan, kaya nababawasan ang gastos at humahaba ang panahong magagamit ang mga ito.

Pandaigdigang Karera sa mga Atomic Battery

Nakuha ng Bristol at UKAEA ang atensiyon ng mga balita sa unang carbon-14 prototype, ngunit hindi lamang sila ang gumagawa ng mga nuclear battery. Nagpasiklab ang teknolohiyang ito ng pandaigdigang kompetisyon, kung saan nag-uunahan ang mga pangkat ng pananaliksik sa China, Estados Unidos, at Europa na gawing komersiyal ang mga katulad na aparatong gumagamit ng iba't ibang radioactive isotope.

Nag-anunsyo ang Beijing Betavolt New Energy Technology sa China ng katunggaling disenyo na gumagamit ng nickel-63 sa halip na carbon-14. May sukat na 15 milimetro por 15 milimetro por 5 milimetro ang BV100 battery na inilantad nila noong unang bahagi ng 2024, at lumilikha ito ng 100 microwatt sa 3 volt. Bagama't 50 taon ang itinatagal ng paraang gumagamit ng nickel-63 na ito, na mas maikli kaysa sa carbon-14, planong ilunsad ng Betavolt sa huling bahagi ng taong ito ang bersiyong isang watt na maaaring magpaandar ng mga elektronikong pangkonsumo kapag pinagdugtong-dugtong ang mga baterya.

Nakiisa rin sa karera noong 2024 ang Infinity Power na nakabase sa California, na bumubuo ng nickel-63 coin cell na katulad ng pamamaraan ng Betavolt. Samantala, nag-eksperimento ang mga mananaliksik sa Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology sa South Korea gamit ang mga betavoltaic cell na may iba't ibang radioisotope, kabilang ang mga isotope ng carbon at hydrogen.

Nananatiling may natatanging bentahe ang pangkat ng Bristol sa usapin ng tagal para sa mga partikular na gamit. Kayang tumagal nang ilang dekada ang mga nickel-63 battery na angkop para sa mga elektronikong pangkonsumo, ngunit ibang uri ng pakinabang ang hatid ng 5,700-taong half-life ng carbon-14 para sa mga gamit na kailangang tumagal nang napakahaba at imposibleng alagaan. Itinatag ni Professor Scott ang Arkenlight, isang komersiyal na negosyo, upang bumuo ng mga pakikipagsosyo sa industriya at suriin ang mga oportunidad sa merkado para sa teknolohiyang carbon-14.

Nakatuon ang pamamaraan ng China sa malapitang pagsasakomersiyal para sa aerospace, kagamitan sa artificial intelligence, at maliliit na robot, samantalang binibigyang-diin ng pangkat ng UK ang mga aparatong medikal at deep-space application na nangangailangan ng napakahabang buhay. Pareho nilang layuning alisin ang pangangailangan sa maintenance at pagpapalit ng baterya sa mahahalagang sistema.

Mga Hamon Bago Maipagbili sa Merkado

Malaki pa ang mga hadlang bago gamitin ang mga diamond battery sa mga aparatong medikal o sasakyang pangkalawakan. Nagkakahalaga ng humigit-kumulang $46,000 kada litro ang gaseous feedstock para makagawa ng purong carbon-14 na diyamante, kaya hamon sa ekonomiya ang pagpapalawak ng produksyon. Nangangailangan ang paggawa ng mga espesyalisadong static-flow chemical vapor deposition reactor na inilalagay sa mga pasilidad na humahawak ng radioactive na materyal, kaya limitado ang kapasidad ng produksyon.

Isa pang masalimuot na hadlang ang pag-apruba ng mga regulator. Bagama't pinadadali ng nakasarang balot na diyamante ang sertipikasyon sa kaligtasan kumpara sa ibang teknolohiyang nuklear, nangangailangan ng malawakang pagsusuri at pangangasiwa ang anumang aparatong may radioactive na materyal. Partikular na mahigpit ang mga rekisito para sa mga gamit medikal upang matiyak ang kaligtasan ng pasyente sa loob ng mga dekada ng pagkakatanim ng aparato.

Nakaaapekto rin sa posibilidad na tanggapin ang teknolohiya ang pananaw ng publiko. Kahit ligtas ang carbon-14 kapag nakaselyo, may negatibong kahulugan para sa marami ang salitang "radioactive," na maaaring makahadlang sa pagtanggap nito sa merkado ng mga mamimili. Mahalaga para sa malawakang pagtanggap ang malinaw na pagpapaliwanag tungkol sa mekanismo ng pagkakakulong at kaligtasan mula sa radiation.

Umaasa si Professor Scott na malalampasan ang mga hamong ito sa pamamagitan ng patuloy na pananaliksik. Inilahad niya ang takdang panahon ng pagbuo sa susunod na dekada.

Kayang suportahan ng aming teknolohiyang micropower ang iba't ibang mahahalagang gamit, mula sa mga teknolohiya sa kalawakan at aparatong panseguridad hanggang sa mga medical implant. Nasasabik kaming tuklasin ang lahat ng posibilidad na ito sa susunod na ilang taon, katuwang ang mga kasosyo sa industriya at pananaliksik. Nais naming gamitin ang teknolohiyang ito upang isulong ang sangkatauhan.

Sa susunod na dekada, pagtutuunan ng pansin ang pagpapalawak ng produksyon at pagpapahusay sa lakas ng output. Kapag matagumpay na napalawak ang produksyon, maaaring bumaba ang gastos at maging posible ang mas malawak na paggamit nito lampas sa mga espesyalisadong larangan ng medisina at aerospace.

Mahahalagang Punto

• Gumawa ang mga mananaliksik sa University of Bristol at UK Atomic Energy Authority ng unang carbon-14 diamond battery sa mundo noong Disyembre 2024
• Ginagamit ng baterya ang radioactive decay ng carbon-14 na may half-life na 5,700 taon, at nagbibigay ito ng tuluy-tuloy na lakas na microwatt sa loob ng libu-libong taon
• Kinukuha ang carbon-14 mula sa mga bloke ng grapayt ng mga nuclear reactor, kaya nagiging nakaselyong pinagmumulan ng enerhiya ang basurang radioactive
• Kapwa nagsisilbing semiconductor at panangga sa radiation ang sintetikong diyamante: sinisipsip nito ang lahat ng inilalabas na partikulo habang lumilikha ng kuryente
• Kabilang sa mga gamit nito ang mga medical implant (pacemaker at hearing aid), deep-space probe, remote sensor, at RF tracking tag
• Gumagamit ng nickel-63 ang mga katunggaling teknolohiya mula China (Betavolt) at US; mas maikli ang itinatagal ng mga ito ngunit mas malapit nang maisasakomersiyal
• Kailangan pang palawakin ang mga proseso ng paggawa at makakuha ng pag-apruba ng mga regulator bago mailunsad sa merkado; kasalukuyang nagkakahalaga ng $46,000 kada litro ang feedstock gas para sa produksyon