W dzisiejszym świecie coraz częściej poszukujemy alternatywnych źródeł energii. Ma to związek przede wszystkim ze zmianami klimatycznymi, ale także systematycznym odchodzeniem od energii jądrowej. Co prawda, jest ona uważana za czyste źródło energii, gdyż nie emituje dwutlenku węgla, ale jednocześnie produkuje ogromne ilości niebezpiecznych odpadów radioaktywnych. Z tymi z kolei nie ma co robić.
Eksperci proponują różnego rodzaju rozwiązania tego problemu, ale przerobienie ich na baterie diamentowe to prawdziwa innowacja. Co prawda, pomysł ma już kilka lat, bo zaproponowano go w 2016 r., ale od razu zyskał uznanie. To zupełnie nowy, opłacalny sposób recyklingu odpadów jądrowych. Przełom, na który czekamy?
Jak zamienić energię jądrową w elektryczną?
Pomysł ogniw z radioaktywnych diamentów został zaproponowany przez chemików i fizyków z Cabot Institute for the Environment of the University of Bristol. Opracowany prototyp był urządzeniem betawoltaicznym, co oznacza, że źródłem energii był w nim rozpad beta.
Rozpad beta to rodzaj rozpadu radioaktywnego, który zachodzi, gdy jądro atomu ma nadmiar cząstek i uwalnia niektóre z nich, aby uzyskać bardziej stabilny stosunek protonów do neutronów. Wyróżnia się dwa rodzaje tego rozpadu: rozpad β− i rozpad β+. Zawsze przy tym wydzielana jest energia, którą unoszą produkty rozpadu. Część energii może pozostać w jądrze w postaci energii jego wzbudzenia, dlatego rozpadowi beta towarzyszy często emisja promieniowania gamma. Półprzewodnik może zamienić energię jądrową w energię elektryczną.
Ogniwo betawoltaiczne to odmiana baterii jądrowej. Składa się z cienkich warstw materiału radioaktywnego umieszczonych między półprzewodnikami. Podczas rozpadu emitowane są cząstki beta, które wybijają elektrony w półprzewodniku, tworząc prąd elektryczny. W maju 2005 roku grupa naukowców z University of Rochester i University of Toronto opracowała niewielką baterię betawoltaiczną opartą na trycie, której wydajność jest kilkakrotnie większa od poprzednich rozwiązań.
Problem z ogniwami betawoltaicznymi jest jednak taki, że cząstki beta są emitowane losowo we wszystkich kierunkach, więc tylko ich cześć trafia na półprzewodnik, a tym samym zostaje zamieniona w prąd elektryczny. Baterie tego typu są zatem znacznie mniej wydajne niż konwencjonalne ogniwa. Chyba, że użyje się polikrystalicznego diamentu – podobnego do klasycznego (monokrystalicznego), z tą różnicą, że zbudowanego z ziaren, z których każde ma w przybliżeniu prawidłową strukturę krystaliczną.
Czy takie wariacje mają sens?
Radioaktywne baterie diamentowe wytwarza się użyciu procesu zwanego chemicznym osadzaniem z fazy gazowej, który jest szeroko stosowany do produkcji sztucznych diamentów. Wykorzystuje on mieszaninę wodoru i metanu do wzrostu warstw diamentowych w bardzo wysokich temperaturach. Proces ten udało się zmodyfikować przy użyciu radioaktywnego metanu zawierającego węgiel-14, popularny izotop węgla, obecny w napromieniowanych blokach grafitowych reaktorów jądrowych.
Diamenty wydają się być wręcz idealne jako materiał na baterie o długiej żywotności, których nie trzeba często ładować. Naukowcy z University of Bristol przekonują jednak, że radioaktywne baterie diamentowe nie są odpowiednie do laptopów czy smartfonów, gdyż zapewniają za małą moc – zaledwie kilka mikrowatów, czyli mniej niż typowa bateria AA. Trudno zatem mówić o jakichkolwiek komercyjnych zastosowaniach. Mogą jednak posłużyć do zasilania małych urządzeń, np. rozruszników serca.
Arkenlight – angielska firma komercjalizująca opracowaną przez uczonych z University of Bristol baterię z radioaktywnych diamentów – planuje wypuścić na rynek swój pierwszy produkt w drugiej połowie 2023 roku. Będzie to mikrobateria o nieujawnionej jeszcze mocy.
A co dalej?
Nie da się ukryć, że w XXI wieku potrzebujemy ogniw jeszcze bardziej niż kiedykolwiek wcześniej. Rosnąca popularność samochodów elektrycznych czy misje kosmiczne (np. na Marsa), wymagają, by baterie były jeszcze lepsze i wydajniejsze. Ale nie każdy akumulator jest odpowiedni do każdego zastosowania. Nie należy się spodziewać, by konwencjonalne ogniwa litowo-jonowe w najbliższym czasie zostały zastąpione przez baterie z radioaktywnego diamentu.
Klasyczne ogniwa faktycznie działają krócej, ale są znacznie tańsze w produkcji. Baterie diamentowe są wygodniejsze, ponieważ cechuje je znacznie dłuższa żywotność – jeśli uda się rozwinąć tę technologię, moglibyśmy doprowadzić do momentu, w który baterie działałyby znacznie dłużej niż wynosi żywotność samego smartfona. Zamiast wymieniać telefon, przenosilibyśmy baterię z jednego urządzenia do drugiego, podobnie jak dzisiaj robimy to z kartami SIM. To przyszłość, której powinniśmy wypatrywać.