چگونه باتری‌های نانو-الماس می‌توانند تحولی در تولید برق ایجاد نمایند؟

محققان ادعا کرده‌اند که باتری‌های نانو-الماس می‌توانند ۲۸ هزار سال عمر کنند. این باتری‌ها نه تنها برای خودروهای برقی و تلفن‌های همراه مفید هستند، بلکه در حوزه فناوری هوافضا و پزشکی نیز سودمند خواهند بود. این مقاله در مورد توسعه، تجاری‌سازی و کاربرد باتری‌های نانو-الماس جدید است.

باتری‌های نانو-الماس تحولی در تولید برق

در سال ۲۰۱۶، برای اولین بار در سخنرانی سالانه موسسه کابوت دانشگاه بریستول، محققان فناوری جدیدی را معرفی کردند که می‌تواند از پسماند هسته‌ای برای تولید انرژی استفاده کند. آن‌ها محصول خود را «باتری‌های الماس» نامیدند. در سال ۲۰۲۰، یک شرکت استارتاپی مستقر در کالیفرنیا به نام NDB، یک باتری نانو-الماس بسیار کارآمد را توسعه داد که می‌تواند ۲۸ هزار سال بدون شارژ دوام بیاورد. این باتری نیز مبتنی بر استفاده از پسماند هسته‌ای است.

باتری‌های الماس

فناوری‌های معمول تولید برق، از انرژی برای انتقال آهن‌ربا از طریق سیم‌پیچ برای تولید جریان استفاده می‌کنند. با این حال، هنگامی که باتری الماس در نزدیکی یک منبع رادیواکتیو قرار گیرد، می‌تواند جریان تولید کند. تیمی از محققان دانشگاه بریستول یک الماس ساخته‌شده توسط انسان را توسعه داده‌اند. این ماده هنگامی که تحت تأثیر یک میدان رادیواکتیو قرار گیرد، می‌تواند نیروی الکتریکی کمی تولید کند.

محققان موسسه کابوت برای نشان دادن نمونه اولیه «باتری الماس» از نیکل-63 به عنوان منبع رادیواکتیو استفاده کردند. منبع رادیواکتیو در داخل الماس محصور شده‌است تا یک باتری هسته‌ای تولید کند. با این حال، این تیم پیش‌بینی کرد برای بدست آوردن یک باتری با بازده بیشتر، از کربن-14 رادیواکتیو استفاده کند. تام اسکات، استاد مواد دانشگاه بریستول، مزایای این فناوری را توضیح داد. او گفت این فناوری شامل تولید انرژی پاک به صورت طولانی مدت و با استفاده از پسماند هسته‌ای است و به دلیل عدم وجود قطعات متحرک و آلاینده هیچ نیازی به تعمیر و نگهداری ندارد.

توسعه باتری‌های نانو-الماس توسط NDB

در سال ۲۰۲۰، NDB اعلام کرد دو آزمایش ثابت مفهوم را در آزمایشگاه کاوندیش دانشگاه کمبریج و آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در کالیفرنیا انجام داده است. همانطور که در بالا ذکر شد، باتری نانو-الماس NDB از پسماند هسته‌ای برای تولید برق استفاده می‌کند. هسته رادیواکتیو با چندین لایه الماس مصنوعی و یا الماس پلی‌کریستالی محافظت می‌شود. از نظر حرارتی الماس پلی‌کریستالی یک ماده رسانا است. این ماده همچنین می‌تواند حاوی تابش درون دستگاه باشد. استفاده از الماس پلی‌کریستالی، باتری نانو-الماس را بسیار سخت و ضددستکاری (tamperproof) می‌کند.

فناوری‌هایی که توسعه باتری‌های نانو-الماس را از نظر ایمنی تابشی، حرارتی و مکانیکی تضمین می‌کنند، در زیر توضیح داده شده‌اند:

 

  • ولتاییک هسته‌ای الماس (DNV)، دستگاهی است که از نیمه‌رسانا تشکیل شده‌است. واحدهای تکی برای ایجاد چیدمانی به شکل دسته (stack) متصل می‌شوند و یک سطح تماس مثبت و منفی مشابه سیستم باتری استاندارد ساخته می‌شود. این طراحی کارایی کلی سیستم، شامل تولید مقدار قابل‌توجهی برق و سپر ایمنی چند لایه برای محصول را بهبود می‌بخشد.
  • تمامی ایزوتوپ‌های رادیواکتیو می‌توانند مقادیر زیادی انرژی گرمایی تولید کنند. یک الماس تک کریستالی (SCD) در واحد DNV و قرارگیری استراتژیک منبع رادیواکتیو میان واحدهای DNV از خودجذبی گرما توسط رادیوایزوتوپ جلوگیری می‌کند.
  • فناوری NDB با استفاده از دوپه کردن بور-۱۰، از تابش آلفا، بتا و نوترون استفاده کرده و به تبدیل نوترون اضافی به پرتو آلفا کمک می‌کند. این طرح همچنین تبدیل سریع تابش به الکتریسیته قابل‌استفاده را ممکن می‌سازد.
  • طراحی ساختاری انعطاف‌پذیر پیشرفته، آن را قادر می‌سازد تا براساس کاربردش، هر شکلی به خود بگیرد. این ویژگی باعث می‌شود NDB بسیار بازارپسند باشد.
  • استفاده از پسماند رادیواکتیو موضوعی است که بسیاری درباره آن تحقیق نکرده‌اند. NDB از پسماند رادیواکتیو استفاده می‌کند و با پردازش مجدد و بازیافت از آن‌ها دوباره استفاده می‌کند. این فناوری پایداری را تضمین می‌کند و باعث ایجاد یک منبع انرژی پاک می‌شود و دستیابی به این هدف، بر مزیت تضمین ایمنی محیط‌زیست می‌افزاید.

محققان بر این باورند که این فناوری هزینه‌ها و چالش‌های ذخیره زباله‌های هسته‌ای را به شکلی بسیار مفید کاهش می‌دهد. NDB روی‌ای همزیستی و احیای یک محیط سالم را در نظر دارد. پیاده‌سازی فناوری نوآورانه آن‌ها استانداردهای زندگی را بهبود می‌بخشد و راه را برای توسعه انرژی دوستدار محیط زیست، سبز و پایدار هموار می‌کند.

کاربردهای باتری‌های نانو-الماس

خودرو: این باتری می‌تواند انقلابی در دنیای خودروهای برقی ایجاد کند. محققان بر این باورند که این فناوری برخلاف باتری‌های موجود به دلیل طول عمر و کارایی بسیار زیاد، به سود صنعت خودروهای برقی خواهد بود.

فناوری پزشکی: این باتری‌ها می‌تواند به دستگاه‌های پزشکی، به ویژه دستگاه‌های قابل‌کاشت، برای مثال، ضربان‌ساز و سمعک، کمک کند. عمر طولانی باتری‌های نانو-الماس برای بیمارانی که از این قبیل ایمپلنت‌های پزشکی استفاده می‌کنند بسیار مفید خواهد بود.

هوافضا: پیشرفت‌های اخیر در فناوری فضایی از جمله توسعه هواپیماهای برقی، تقاضای بسیاری برای باتری‌های ایمن و با طول عمر زیاد ایجاد کرده‌است. در حال حاضر وسایل نقلیه فضایی و ماهواره‌ها توسط انرژی خورشیدی پشتیبانی می‌شوند که باعث می‌شود آنها در معرض یک محیط فضایی بی‌ثبات‌کننده قرار گیرند. NDB انرژی الکتریکی، هواپیما، پهپاد و ایستگاه فضایی را برای مدت‌زمان طولانی‌تری تأمین می‌کند.

الکترونیک: استفاده از NDB برای تأمین انرژی دستگاه‌های الکترونیکی استاندارد مانند لپ‌تاپ‌ها و گوشی‌های هوشمند، نیاز به شارژ مجدد چنین وسایلی را برطرف می‌کند. NDB ادعا می‌کند که استفاده از محصول آن‌ها با فراهم کردن دستگاه‌های مستقل از پریز برق و افزایش رایانش کوانتومی شخصی و توان محاسباتی این دستگاه، به نفع مصرف‌کنندگان خواهد بود.

دفاع: از NDB می‌توان در سیستم‌های نظارتی و الکترونیکی استفاده کرد.

 

آینده باتری‌های نانو-الماس

از آنجا که زندگی روزمره ما به شدت به دستگاه‌های تلفن‌همراه مجهز به باتری وابسته است، تقاضا برای باتری‌های کارآمد و مقرون‌به‌صرفه به سرعت افزایش می‌یابد. باتری‌های معمولی موجب نگرانی‌های بسیاری از جمله گرم شدن کره زمین و انباشت زباله می‌شود. باتری‌های نانو-الماس از نظر طول عمر و کاربردهای گسترده، بر این محدودیت‌های باتری‌های معمولی غلبه می‌کند. دکتر جان شاو-تیلور، از کالج دانشگاهی لندن اظهار داشت این فناوری با توجه به «اثرات زیست‌محیطی و هزینه‌های انتقال انرژی نزدیک به صفر» می‌تواند راهکاری برای بحران جهانی انرژی باشد.

تیم NDB اعلام کرد که نخستین نمونه تجاری اولیه باتری در اواخر سال جاری در دسترس خواهد بود. آن‌ها همچنین با بیان اینکه بسیاری از سازمان‌ها از جمله شرکت‌های هوافضا و یک شرکت پیشرو در حوزه محصولات چرخه سوخت هسته‌ای به عنوان مشتری صف کشیده‌اند، اظهار داشت تقاضای زیادی برای محصول ما وجود دارد.