Britskí vedci tvrdia, že diamantová batéria Carbon-14 je svetovou novinkou.
Ide o využitie uhlíka - paradoxne z nepriameho jadrového odpadu...
Grafit (napríklad v ceruzke), alebo obyčajné uhlie a diamant majú rovnaké chemické zloženie. Všetko je to výlučne z prvku uhlíka, ale atómy uhlíka sú navzájom spojené rôznymi spôsobmi. Ich výrazné kryštálové štruktúry im dávajú úplne odlišné vlastnosti. Grafit je nepriehľadný a veľmi mäkký a používa sa na výrobu ceruziek. Diamanty sú najtvrdšou známou prírodnou látkou a okrem toho, že sú vysoko cenené pre šperky, používajú sa v priemysle ako súčasti nástrojov na rezanie a leštenie.
Znie to, že by to malo teda asi byť veľmi drahé, ale v skutočnosti nie je! Prečo? Lebo väčšina ľudí si myslí, že diamant je veľmi drahý, ale v skutočnosti to tak nemusí byť, ak máte správne vybavenie! A práve na výrobu rádio-voltaických mikro-elektrických zariadení možno použiť veľmi kvalitný diamant „elektronickej kvality“. Diamant je stabilný v širokom rozsahu teplôt a je to polovodič so širokou pásmovou medzerou – ideálny pre voltaické zariadenia. Okrem toho nad všetkými ostatnými materiálmi má diamant silu zadržať zachytenú rádioaktivitu bez toho, aby sa poškodila jeho štruktúra. Ostatné materiály sa znehodnotia a rýchlo prestanú fungovať.
Potom zase obavy z rádioaktivity.
Ako zachytiť rádioaktivitu vo vnútri diamantu? Nie je to ľahké, ale je to veľmi dôležité! Keď sa vedci vydali na túto vzrušujúcu cestu za vývojom diamantovej batérie; vedeli, že kľúčovou požiadavkou na to, aby naša technológia fungovala, bude zachytiť všetku beta-rádioaktivitu vo vnútri štruktúry diamantového zariadenia.
Pritom by neunikla žiadna rádioaktivita a všetka uvoľnená energia by bola absorbovaná štruktúrou diamantu a premenená na energiu vo forme elektrického prúdu plus malé množstvo tepla a svetla. Ide tu o priamu jadrovo-elektrickú konverziu – niečo ako „svätý grál“ pre mnohých vedcov za posledných niekoľko desaťročí.
Prečo práve diamant?
Je to technológia založená na izotopoch Uhlíka a Vodíka. Rádioizotopy, ktoré sú tu použité sú najťažšie izotopy Uhlíka a Vodíka. Konkrétne Uhlík-14 a Trícium (H-3), ktoré sú rádioaktívne beta žiariče a dajú sa „zabudovať“ do diamantu vo veľkých množstvách. Carbon-14 nahrádza prírodné izotopy Uhlíka v kryštálovej štruktúre, zatiaľ čo Trícium môže byť vtlačené do všetkých tesných medzier medzi atómami Uhlíka. Takto by sa dali v prenesenom zmysle slova „nabiť“ diamanty atómovou energiou! Keď atóm jedného z izotopov podlieha rádioaktívnemu rozpadu, uvoľní sa beta častica - ktorú možno považovať za elektrón s veľmi vysokou energiou. Keď častice vystrelia do okolitej kryštálovej mriežky, ich energia sa premení na elektrický prúd, ktorý ľudovo povedané „vyteká“ zo zariadenia.
Diamantové beta batérie sú v skutočnosti založené na dióde. (Dióda je polovodičové zariadenie s PN prechodom a má dve elektródové svorky nazývané anóda a katóda na opačných stranách zariadenia - je to trochu ako vrstvený sendvič). Tu je potrebná vrstva „pochovaná“ v štruktúre, ktorá absorbuje všetku rádioaktivitu, pretože „normálny“ diamant na oboch stranách tejto vrstvy zaisťuje zadržiavanie rádioaktivity a zároveň plní elektronickú úlohu pri premene beta energie na elektrický prúd. Existuje niekoľko spôsobov, ako môže byť táto rádioaktívna vrstva vytvorená pri použití trícia, ale iba jeden pri použití Uhlíka-14 – tu je potrebné mať diamant z rádioaktívneho metánu pomocou procesu nazývaného chemická depozícia z pár (CVD).
A vedci z Britského úradu pre atómovú energiu a Bristolskej Univerzity to urobili!
Vytvorili podľa nich prvú diamantovú batériu s uhlíkom 14 na svete, ktorá má potenciál napájať zariadenia po tisíce rokov.
Základom batérie je rádioaktívny izotop uhlík-14. Využíva svoj rádioaktívny rozpad - má polčas rozpadu 5 700 rokov - na generovanie nízkej úrovne energie. Podľa britského úradu pre atómovú energiu (UKAEA) "funguje podobne ako solárne panely, ktoré premieňajú svetlo na elektrinu, ale namiesto použitia svetelných častíc (fotónov) zachytávajú rýchlo sa pohybujúce elektróny z diamantovej štruktúry".
Riaditeľka tríciového palivového cyklu v UKAEA Sarah Clark, povedala: "Diamantové batérie ponúkajú bezpečný a udržateľný spôsob, ako zabezpečiť nepretržitú úroveň výkonu v mikroWattoch. Ide o novú technológiu, ktorá využíva vyrobený diamant na bezpečné uzavretie malých množstiev uhlíka-14." " Tím z týchto dvoch organizácií pracoval na projekte v kampuse UKAEA v Culhame, pričom vývoj bol vnímaný ako vedľajší produkt od práce, ktorá tam prebiehala v oblasti energie jadrovej syntézy.
Potenciálne aplikácie batérií ponúkajú použitie v ťažkých – nepríjemných prostrediach, kde nie je možné batérie vymeniť – ako napríklad napájanie rádiofrekvenčného zariadenia vo vesmíre počas mnohých desaťročí.
Ďalšie využitie by mohlo byť v lekárskych kardiostimulátoroch a v budúcnosti v každodenných elektronických zariadeniach alebo hodinkách.
Tom Scott, profesor materiálov na Univerzite v Bristole, povedal: „Naša mikroenergetická technológia môže podporovať celý rad dôležitých aplikácií od vesmírnych technológií a bezpečnostných zariadení až po lekárske implantáty. Sme nadšení, že môžeme preskúmať všetky tieto možnosti. , v spolupráci s partnermi v priemysle a výskume, v priebehu niekoľkých nasledujúcich rokov chceme využiť túto technológiu pre ľudí.“ "Nadchádzajúce desaťročie je o zvyšovaní výroby a zlepšovaní výkonu. V tomto bode je to skutočne vzrušujúce. Myslíme si, že tu ľudia povedia: "Toto je absolútna zmena...."
Ako to funguje?
„Diamantová batéria“ je názov koncepcie jadrovej batérie, o ktorej informovala University of Bristol Cabot Institute už dávnejšie počas svojej výročnej prednášky, ktorá sa konala ešte 25. novembra 2016.
Bolo to v budove Wills Memorial Building. „Diamantová batéria“ je navrhnutá tak, aby fungovala na základe rádioaktivity odpadových grafitových blokov (predtým používaných ako neutrónový moderátorový materiál v grafitom moderovaných reaktoroch) a generovala by malé množstvá elektriny po tisíce rokov. Batéria je beta-voltaický článok využívajúci uhlík-14 (14-C) vo forme diamantu podobného uhlíku (DLC) ako zdroj beta žiarenia a ďalšie normálne uhlíkové DLC na vytvorenie potrebného polovodičového spojenia a zapuzdrenie uhlíka-14.
Pôvodné úplne prvotné prototypy
Do vyhlásenia o tomto novom spôsobe riešenia batérie - teraz v danej súčasnosti zatiaľ nič také neexistuje a nie sú známe také prípady aby bol Uhlík 14-C používaný ako zdroj baterky. Existujú však prototypy, ktoré ako zdroj využívajú Nikel-63 (63-Ni) s diamantovými neelektrolytmi/polovodičmi na premenu energie, ktoré sa považujú za odrazový mostík k tomuto novému možnému prototypu diamantovej batérie 14-C.
Prototyp z Univerzity v Bristole - Ako sme už spomenuli - v roku 2016 výskumníci z University of Bristol tvrdili, že skonštruovali jeden z týchto prototypov 63-Ni. Z často kladených otázok na nich (a ich odpovedí) o tomto vynáleze vyplýva, že odhadovaný výkon malého článku C-14 je cca 15 J/deň na tisíce rokov.
(Pre informáciu a porovnanie, AA batéria rovnakej veľkosti má celkovo približne 10 kJ, čo je ekvivalent 15 J/deň len počas 2 rokov.)
Britskí vedci však upozorňujú, že touto technológiou nie je možné priamo nahradiť AA batériu, pretože AA batéria môže spôsobiť za určitých okolností explóziu a to s relatívne dosť vysokým účinkom. Namiesto toho je diamantová batéria zameraná na aplikácie, kde sa vyžaduje nízka rýchlosť vybíjania a hlavne počas dlhého časového obdobia, ako je prieskum vesmíru, lekárske zariadenia, komunikácia na morskom dne, mikroelektronika atď.
Prototyp z Moskovského inštitútu fyziky a technológie - V roku 2018 výskumníci z Moskovského inštitútu fyziky a technológie (MIPT), Technologického inštitútu pre super-pevné a nové uhlíkové materiály (TISNCM) a Národnej univerzity vedy a techniky (MISIS) oznámili prototyp využívajúci vrstvy s hrúbkou 2 mikrónov. Je to vlastne fólia 63-Ni vložená medzi 200 10-mikrónových diamantových meničov. Produkuje výkon približne 1 μW (mikroWatt) pri hustote výkonu 10 μW/cm3. Pri týchto hodnotách by jeho energetická hustota bola približne 3,3 Wh/g počas jeho 100-ročného polčasu životnosti, čo je asi 10-násobok oproti konvenčným elektrochemickým batériám. Výsledok výskumu a informácie o prototype ruských vedcov boli publikované v apríli 2018 v časopise Diamond and Related Materials.
Zdá sa že tentokrát, v tomto roku sa to britským vedcom cez metódu, ktorá vlastne imitujúca foto-voltaické panely podarilo.
Fyzikálna podstata
Výskumníci sa snažia využiť schopnosti a špecifiká Uhlíka 14-C, ktorý máme mimochodom aj my sami v našom tele, a ktorý vlastne spôsobuje, že je naše ľudské telo tiež rádioaktívne. Oni sa sústreďujú na zlepšenie účinnosti a jeho využitie rádioaktívneho uhlíka 14-C.
Uhlík 14-C podlieha beta rozpadu, pri ktorom emituje nízkoenergetickú beta časticu, aby sa stal Dusíkom-14 (14-N), ktorý je už stabilný (teda nie rádioaktívny).
Jadrová reakcia je nasledovná:
Tieto beta častice s priemernou energiou 50 keV podliehajú neelastickým zrážkam s inými atómami uhlíka, čím vytvárajú páry elektrón-diera, ktoré potom prispievajú k elektrickému prúdu. To je možné zopakovať z hľadiska teórie pásov tým, že v dôsledku vysokej energie častíc beta preskočia elektróny v uhlíkovom valenčnom pásme do svojho vodivého pásma a zanechajú za sebou diery vo valenčnom pásme, kde boli predtým prítomné elektróny.
Teória je jedna vec, ale výroba druhá...
V grafitom moderovaných reaktoroch (ktoré majú aj Veľká Británia a aj Rusko) sú štiepne uránové palivové tyče umiestnené vo vnútri grafitových blokov.
Tieto bloky fungujú ako moderátor neutrónov, ktorých účelom je spomaliť rýchlo sa pohybujúce neutróny, aby mohli prebiehať jadrové reťazové reakcie s tepelnými neutrónmi.
Počas ich používania sa niektoré nerádioaktívne izotopy Uhlíka-12 a Uhlíka-13 v grafite premenia zachytávaním neutrónov na rádioaktívny Uhlík 14-C. Keď sa grafitové bloky odstránia počas vyraďovania staníc z prevádzky, ich indukovaná rádioaktivita ich kvalifikuje ako nízkoaktívny odpad vyžadujúci bezpečnú likvidáciu. Výskumníci z University of Bristol preukázali, že veľké množstvo rádioaktívneho Uhlíka 14-C sa koncentrovalo na vnútorných stenách grafitových blokov. Z tohto dôvodu navrhujú, aby bola veľká časť z blokov efektívne odstránená (vyňatá). Dá sa dosiahnuť ich zahriatím na bod sublimácie 3 915 K (3 642 ° C), čím sa uvoľní uhlík v plynnej forme. Potom budú bloky menej rádioaktívne a možno ich bude ľahšie likvidovať, pričom väčšina rádioaktívneho Uhlíka 14-C bude vyťažená a bude ju možné použiť na niečo iné (napríklad práve na baterky). Výskumníci navrhujú, aby bol tento plynný Uhlík 14-C zhromažďovaný a použitý na výrobu umelých diamantov procesom známym ako chemické vylučovanie pár pomocou nízkeho tlaku a zvýšenej teploty, pričom poznamenávajú, že tento diamant by bol vlastne extrémne tenký plát a nie stereotypný diamantový brús. Výsledný diamant vyrobený z rádioaktívneho Uhlíka 14-C by síce stále produkoval beta žiarenie, ale to je to, čo výskumníci chcú, aby bolo možné použiť ako beta-voltaický zdroj. Výskumníci tiež tvrdia, že tento diamant by bol vložený medzi nerádioaktívne umelé diamanty vyrobené z uhlíka 12-C, ktoré by zase rádioaktívne žiarenie zo zdroja blokovali a tiež by boli použité na premenu energie ako diamantový polovodič namiesto konvenčných kremíkových polovodičov.
Navrhované aplikácie
Vďaka svojej veľmi nízkej hustote výkonu, účinnosti konverzie a vysokým nákladom je Uhlík 14-C beta-voltaické zariadenie veľmi podobné iným, už existujúcim beta-voltaickým zariadeniam, ktoré sú vhodné pre špecializované aplikácie vyžadujúce veľmi malý výkon (mikroWatty) na niekoľko rokov v situáciách, keď nie je možné vymeniť konvenčné batérie. alebo dobíjať pomocou konvenčných techník získavania energie. Vďaka svojmu dlhšiemu polčasu rozpadu môže mať Uhlíková 14-C beta-voltaika výhodu v životnosti v porovnaní s inými beta-voltaikami používajúcimi Trícium alebo Nikel. Pravdepodobne to však bude za cenu ďalšieho zníženia hustoty výkonu.
Komercializácia
V septembri 2020 bol Morgan Boardman, strategický poradca zo skupiny Aspire Diamond Group na Univerzity v Bristole, vymenovaný za generálneho riaditeľa novej spoločnosti s názvom „Arkenlight“, ktorá bola vytvorená výslovne na komercializáciu ich novo vytváranej „diamantovej batérie“, ich technológií a prípadne ďalších zariadení na aplikácie jadrového žiarenia, ktoré sú predmetom výskumu alebo vývoja na Bristolskej Univerzite.
V septembri 2024 spoločnosť „Arkenlight“ oznámila, že diamant Uhlíka 14-C už úspešne vytvorila.
Samozrejme, že na svete pracuje mnoho vedeckých skupín na analogickou, alebo podobnou úlohou. Veď nielen budúcnosť, ale aj súčasnosť sa už bez batérií nedá vôbec predstaviť.
Niektré z nich majú aj výborné výsledky (napr. Čína, resp. USA), kde už ponúkajú podobné riešenia, zatiaľ však s nižšími parametrami (napr. životnosť 50 rokov).
Aby som to zhrnul...
„Diamantová batéria“ s Uhlíkom-14 je viac ako len inžiniersky výkon; predstavuje veľký skok do budúcnosti, kde sú zdroje energie už nielen spoľahlivé, ale aj trvalé. S pokračujúcim vývojom by sa táto technológia mohla stať základným kameňom trvalo udržateľných inovácií a nanovo definovať spôsob, akým uvažujeme o energii v našom každodennom živote.
