Ömür boyu dayanabilecek güvenli bir nükleer pil

Özet: Tüketici cihazlarında ve elektrikli araçlarda kullanılan lityum-iyon piller, genellikle şarjlar arasında saatler veya günler dayanır. Ancak tekrar tekrar kullanıldıklarında bozulurlar ve daha sık şarj edilmeleri gerekir. Şimdi araştırmacılar radyokarbonu, şarj edilmeden onlarca yıl veya daha uzun süre dayanabilecek güvenli, küçük ve uygun fiyatlı nükleer piller için bir kaynak olarak değerlendiriyor.

Ayrıntılı Açıklama

Bazen cep telefonları beklenenden daha kısa sürede biter ya da elektrikli araçların şarjı hedefe ulaşmak için yeterli olmaz. Bu ve diğer cihazlardaki şarj edilebilir lityum-iyon (Li-ion) piller genellikle şarj arasında saatler veya günler dayanır. Ancak tekrarlanan kullanımlarda piller bozulur ve daha sık şarj edilmeleri gerekir. Şimdi araştırmacılar radyokarbonu, şarj edilmeden onlarca yıl veya daha uzun süre dayanabilecek güvenli, küçük ve uygun fiyatlı nükleer piller için bir kaynak olarak değerlendiriyor.

Daegu Gyeongbuk Bilim ve Teknoloji Enstitüsü'nde profesör olan Su-Il In, sonuçlarını Amerikan Kimya Derneği'nin (ACS) bahar toplantısında sunacak.

Li-ion piller için gereken sık şarj sadece bir rahatsızlık değil. Pilleri güç için kullanan dronlar ve uzaktan algılama ekipmanları gibi teknolojilerin kullanımını da sınırlıyor. Piller aynı zamanda çevre için de zararlı: Lityum madenciliği enerji yoğun bir iştir ve Li-ion pillerin uygunsuz şekilde imha edilmesi ekosistemleri kirletebilir. Ancak bağlı cihazların, veri merkezlerinin ve diğer bilgi işlem teknolojilerinin giderek yaygınlaşmasıyla birlikte uzun ömürlü pillere olan talep de artıyor.

Ve daha iyi Li-ion piller muhtemelen bu zorluğun çözümü değil. Geleceğin enerji teknolojilerini araştıran In, "Li-ion pillerin performansı neredeyse doymuş durumda" diyor. Bu nedenle In ve ekip üyeleri, lityuma alternatif olarak nükleer piller geliştiriyor.

Nükleer piller, radyoaktif maddelerin yaydığı yüksek enerjili parçacıklardan yararlanarak güç üretiyor. Tüm radyoaktif elementler canlı organizmalara zarar veren radyasyon yaymaz ve bazı radyasyonlar belirli malzemeler tarafından engellenebilir. Örneğin, beta parçacıkları (beta ışınları olarak da bilinir) ince bir alüminyum levha ile korunabilir, bu da betavoltaikleri nükleer piller için potansiyel olarak güvenli bir seçim haline getirir.

Araştırmacılar, radyokarbon adı verilen kararsız ve radyoaktif bir karbon formu olan karbon-14 ile bir prototip betavoltaik pil üretti. In, "Karbonun radyoaktif bir izotopunu kullanmaya karar verdim çünkü sadece beta ışınları üretiyor" diyor. Dahası, nükleer enerji santrallerinin bir yan ürünü olan radyokarbon ucuzdur, kolayca temin edilebilir ve geri dönüşümü kolaydır. Radyokarbon çok yavaş bozunduğu için radyokarbonla çalışan bir pil teorik olarak bin yıl dayanabilir.

Tipik bir betavoltaik pilde elektronlar bir yarı iletkene çarparak elektrik üretilmesini sağlar. Yarı iletkenler, enerji dönüşümünden birincil olarak sorumlu oldukları için betavoltaik pillerde kritik bir bileşendir. Sonuç olarak bilim insanları, bir pilin elektronları kullanılabilir elektriğe ne kadar etkili bir şekilde dönüştürebileceğinin bir ölçüsü olan daha yüksek bir enerji dönüşüm verimliliği elde etmek için gelişmiş yarı iletken malzemeleri araştırıyor.

Yeni tasarımlarının enerji dönüşüm verimliliğini önemli ölçüde artırmak için In ve ekibi, güneş pillerinde yaygın olarak kullanılan ve rutenyum bazlı bir boya ile hassaslaştırılmış bir malzeme olan titanyum dioksit bazlı bir yarı iletken kullandı. Titanyum dioksit ve boya arasındaki bağı sitrik asit işlemiyle güçlendirdiler. Radyokarbondan gelen beta ışınları işlenmiş rutenyum bazlı boya ile çarpıştığında, elektron çığı adı verilen bir dizi elektron transfer reaksiyonu meydana gelir. Daha sonra çığ boya boyunca ilerler ve titanyum dioksit üretilen elektronları etkili bir şekilde toplar.

Yeni bataryada ayrıca boyaya duyarlı anot ve katotta radyokarbon bulunmaktadır. Araştırmacılar, her iki elektroda da radyoaktif izotop uygulayarak, üretilen beta ışınlarının miktarını artırdı ve iki yapı arasındaki mesafeye bağlı beta radyasyon enerji kaybını azalttı.

Prototip pilin gösterimleri sırasında araştırmacılar, her iki elektrottaki radyokarbondan salınan beta ışınlarının, titanyum dioksit tabakası tarafından toplanan ve harici bir devreden geçerek kullanılabilir elektrikle sonuçlanan bir elektron çığı oluşturmak için anot üzerindeki rutenyum bazlı boyayı tetiklediğini keşfetti. Sadece katotta radyokarbon bulunan önceki bir tasarımla karşılaştırıldığında, araştırmacıların katot ve anotta radyokarbon bulunan pili %0,48'den %2,86'ya çıkarak çok daha yüksek bir enerji dönüşüm verimliliğine sahipti.

In, bu uzun ömürlü nükleer pillerin birçok uygulamaya olanak sağlayabileceğini söylüyor. Örneğin, bir kalp pili bir kişinin ömrü boyunca dayanabilir ve cerrahi değişim ihtiyacını ortadan kaldırabilir.

Ancak, bu betavoltaik tasarım radyoaktif bozunmanın sadece küçük bir kısmını elektrik enerjisine dönüştürerek geleneksel Li-ion pillere kıyasla daha düşük performansa yol açtı. Beta ışını yayıcısının şeklini optimize etmeye ve daha verimli beta ışını emicileri geliştirmeye yönelik daha fazla çabanın pilin performansını artırabileceğini ve güç üretimini artırabileceğini öne sürüyor.

İklim endişeleri arttıkça, nükleer enerjiye yönelik kamuoyu algısı da değişiyor. Ancak hala sadece uzak bir yerdeki büyük bir enerji santralinde üretilen enerji olarak düşünülüyor. In, bu çift kaynaklı boya duyarlı betavoltaik hücre pillerle, "Güvenli nükleer enerjiyi parmak büyüklüğündeki cihazlara yerleştirebiliriz" diyor.

Araştırma, Kore Ulusal Araştırma Vakfı'nın yanı sıra Kore Bilim ve Bilgi ve İletişim Teknolojileri Bakanlığı'nın Daegu Gyeongbuk Bilim ve Teknoloji Enstitüsü Araştırma ve Geliştirme Programı tarafından finanse edildi

.

Kaynak: Amerikan Kimya Derneği