pin hạt nhân
Từ những năm 1950, betavoltaics - công nghệ khai thác năng lượng của bức xạ beta - đã được các nhà khoa học coi là cơ sở để tạo ra các nguồn năng lượng mới trong tương lai. Ngày nay, có những cơ sở thực sự để khẳng định một cách tự tin rằng việc sử dụng các phản ứng hạt nhân có kiểm soát vốn đã an toàn. Hàng chục công nghệ hạt nhân đã được con người sử dụng trong cuộc sống hàng ngày, chẳng hạn như máy dò khói đồng vị phóng xạ.
Vì vậy, vào tháng 3 năm 2014, các nhà khoa học Jae Kwon và Bek Kim từ Đại học Missouri, Columbia, Hoa Kỳ đã tái tạo nguyên mẫu hoạt động đầu tiên trên thế giới của một nguồn năng lượng nhỏ gọn dựa trên stronti-90 và nước. Trong trường hợp này, vai trò của nước là một bộ đệm năng lượng, sẽ được giải thích dưới đây.
Pin hạt nhân sẽ hoạt động trong nhiều năm mà không cần bảo trì và sẽ có thể sản xuất điện do sự phân hủy của các phân tử nước khi chúng tương tác với các hạt beta và các sản phẩm phân rã khác của chất phóng xạ stronti-90.
Năng lượng của một loại pin như vậy phải hoàn toàn đủ để cung cấp năng lượng cho xe điện và thậm chí cả tàu vũ trụ.Bí mật của sản phẩm mới nằm ở sự kết hợp giữa betavoltaics và một xu hướng vật lý khá mới - bộ cộng hưởng plasmon.
Plasmon đã được sử dụng tích cực trong vài năm gần đây để phát triển các thiết bị quang học cụ thể, bao gồm pin mặt trời siêu hiệu quả, thấu kính phẳng hoàn toàn và mực in đặc biệt có độ phân giải cao hơn nhiều lần so với độ nhạy của mắt chúng ta. Bộ cộng hưởng plasmonic là những cấu trúc đặc biệt có khả năng hấp thụ và phát ra năng lượng dưới dạng sóng ánh sáng và dưới dạng các dạng bức xạ điện từ khác.
Ngày nay, đã có các nguồn năng lượng đồng vị phóng xạ chuyển đổi năng lượng của quá trình phân rã nguyên tử thành điện năng, nhưng điều này không xảy ra trực tiếp mà thông qua một chuỗi tương tác vật lý trung gian.
Đầu tiên, các viên chất phóng xạ làm nóng phần thân của vật chứa chứa chúng, sau đó nhiệt lượng này được chuyển thành điện năng nhờ các cặp nhiệt điện.
Một lượng lớn năng lượng bị mất ở mỗi giai đoạn chuyển đổi; trong số này, hiệu suất của pin đồng vị phóng xạ như vậy không vượt quá 7%. Betavoltica từ lâu đã không được sử dụng trong thực tế do bức xạ phá hủy các bộ phận của pin rất nhanh.
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng những phần bị phân hủy này của các phân tử nước có thể được sử dụng để trích xuất trực tiếp năng lượng mà chúng hấp thụ do va chạm với các hạt beta.
Để pin hạt nhân nước hoạt động, cần có một cấu trúc đặc biệt gồm hàng trăm cột oxit titan cực nhỏ được phủ một lớp màng bạch kim, có hình dạng tương tự như chiếc lược. Trong răng của nó và trên bề mặt của lớp vỏ bạch kim, có nhiều lỗ chân lông siêu nhỏ mà qua đó các sản phẩm phân hủy nước được chỉ định có thể xâm nhập vào thiết bị. Vì vậy, trong quá trình hoạt động của pin, một số phản ứng hóa học diễn ra trong "lược" - sự phân hủy và hình thành các phân tử nước xảy ra, trong khi các electron tự do phát sinh và bị bắt giữ.
Năng lượng giải phóng trong tất cả các phản ứng này được các "kim" hấp thụ và chuyển thành điện năng. Do các plasmon xuất hiện trên bề mặt của các cột, có các tính chất vật lý đặc biệt, nên loại pin hạt nhân nước này đạt hiệu suất tối đa, có thể là 54%, cao hơn gần 10 lần so với các nguồn dòng đồng vị phóng xạ cổ điển.
Dung dịch ion được sử dụng ở đây rất khó bị đóng băng ngay cả ở nhiệt độ môi trường xung quanh đủ thấp, cho phép sử dụng pin được chế tạo bằng công nghệ mới để cung cấp năng lượng cho xe điện và, nếu được đóng gói đúng cách, cả trong tàu vũ trụ cho các mục đích khác nhau.
Chu kỳ bán rã của chất phóng xạ strontium-90 là khoảng 28 năm, vì vậy pin hạt nhân của Kwon và Kim có thể hoạt động mà không bị tổn thất năng lượng đáng kể trong vài thập kỷ, với mức giảm điện năng chỉ 2% mỗi năm.Các nhà khoa học cho rằng những thông số như vậy mở ra triển vọng rõ ràng về tính phổ biến của xe điện.