Znana jest już nam technologia wytwarzania syntetycznych diamentów z grafitu. Ale nie było jeszcze diamentów, które będą swoistymi generatorami energii, do których syntezy zużywane będą zaśmiecające Ziemię radioaktywne odpady. Pierwszy prototyp tego typu baterii jest już tworzony przez naukowców z Bristolu. Więcej na temat „wiecznych baterii” w tekście poniżej.
Słownik pojęć
Izotopy – są to atomy tego samego pierwiastka chemicznego, różniące się między sobą masą atomową, to znaczy, iż posiadają w swoim jądrze jednakową ilość protonów (trwały składnik materii o ładunku +1), ale różną liczbę neutronów (cząstek budujących jądro atomowe, pod względem elektrycznym jest ona obojętna) [1].
Izotopy promieniotwórcze – są to indywidua charakteryzujące się tym, że ich jądra atomowe nie wykazują stabilności, co powoduje, iż są zdolne do samorzutnych przemian promieniotwórczych [2].
Grafit – jest to krystaliczna odmian węgla, materiał ten bardzo dobrze przewodzi prąd elektryczny [3].
Bloki grafitowe – są to wykonane z grafitu prostopadłościenne kostki, o ściśle określonych wymiarach z wydrążonym kanałem (waga jednego takiego bloczka wynosi nieco ponad 12 kg) umieszczane w rdzeniu reaktora jądrowego jako materiał izolujący, spowalniające neutrony [4].
Promieniowanie β (beta) – jest to jeden z rodzajów promieniowania jonizującego emitowanego przez niestabilne jądra atomowe. Jest ono bardziej przenikliwe niż promieniowanie α (alfa) ale mniej niż γ (gamma), co oznacza, że bez problemu może przeniknąć przez warstwę papieru, jednak grubsza deska wystarczy aby je skutecznie zatrzymać [5].
NDB – Nuclear Diamond Battery
Metoda CVP (Chemical Vapour Deposition) – chemiczne osadzanie z fazy gazowej, metoda ta oparta jest na termiczno-chemicznej obróbce materiałów. Wykorzystywana jest m.in. do nanoszenia na obrabiany materiał cienkich powłok w celu zmiany właściwości chemiczno-fizycznych jego powierzchni [6].
Z czego i w jaki sposób zrobione są te „generatory energii”?
Z czego będzie zbudowana takowa diamentowa bateria?
Odpowiedź brzmi: z radioaktywnego odpadu, a dokładniej z bloków grafitowych wykorzystywanych w reaktorach jądrowych jako spowalniacze neutronów. Jak wykazano, bloki te bogate są w radioaktywny węgiel C-14 i to właśnie on stanowi główny składnik „generatora energii”.
A teraz jak z odpadu stworzyć coś co będzie wytwarzało energię?
Wyobraźmy sobie prostopadłościenny czarny grafitowy bloczek o boku 25cm i z wydrążonym kanałem przechodzącym na wylot. Po wstępnym oczyszczeniu, przystępujemy do przetworzenia go za pomocą metody CVD, która polega na podgrzaniu grafitowych bloków, proces ten jest niezbędny w celu wyizolowania radioaktywnego węgla C-14. Kolejno zostaje on poddany działaniu niskiego ciśnienia i wysokiej temperatury, w wyniku czego uzyskujemy sztuczny diament, który będzie można wykorzystać do wytworzenia źródła energii [7]. Filmik poniżej:
Na jakiej zasadzie działa, co można nią zasilić i na jak długo starcza?
Udało nam się stworzyć sztuczny diament, ale jak pozyskać z niego energię?
Odpowiedź jest bardzo prosta, energia powstaje na skutek rozpadu promieniotwórczego związku. Poprzez emitowanie promieniowania β (beta), które oddziałuje na budowę krystaliczną diamentu, wybite zostają elektrony, w wyniku czego generowana jest energia, czyli prąd wytwarzany jest zupełnie inna drogą niż dobrze znane nam baterie litowo- jonowe, których to zasada działania oparta jest na reakcjach chemicznych zachodzących na elektrodach [8].
Co można taką baterią zasilić i na jak długo starcza?
Jeden gram izotopu C-14 jest w stanie wytworzyć nieco ponad 15 J(dżuli). Dla porównania warto dodać, że standardowa bateria AA średnio może wygenerować ok. 11 tysięcy J (dżuli), co powoduje, że na zasilenie nią samochodu osobowego nie ma co liczyć, gdyż musiałaby ona ważyć o wiele więcej niż masa zasilanego nią pojazdu. Ale standardowy „paluszek” potrafiłby działać ponad 5 tysięcy lat z pełną mocą, a dokładniej 5740, bo tyle wynosi połowiczny rozpad izotopu węgla C-14, po tym czasie wydajność tej baterii spadnie o połowę [7]. Jedynym jej minusem jest fakt, iż nie będzie można jej naładować, dzieje się tak, ponieważ proces połowicznego rozpadu jest nieodwracalny, jednak biorąc pod uwagę, że bateria ta będzie działać parę tysięcy lat można się z tym pogodzić.
Pomimo niewielkiej mocy jaka generowana jest przez te baterie, z uwagi na tryb jej działania, znaleziono już sporą ilość zastosowań w różnych dziedzinach m.in. :
- w rozrusznikach serca,
- w implantach elektronicznych,
- w satelitach, gdzie jej zadanie polegałoby na wysyłaniu słabych sygnałów w celu zlokalizowania sondy,
- jako zasilacze dronów,
- do czujników umieszczanych w kablach,
- w zegarkach,
- innych, gdzie zużycie energii jest niewielkie, a wymiana źródła zasilania praktycznie niemożliwa.
Czy jest bezpieczna, kiedy pojawi się na rynku i jaka będzie jej cena?
Czy bateria ta jest bezpieczna?
Według naukowców z Bristolu, którzy zajmują się tworzeniem prototypu takowej baterii, jest ona niebezpieczna i radioaktywna na tym samym poziomie, co znaki ostrzegawcze, które pokryte są cienką warstwą trytu. Odpowiedź więc brzmi… diamentowa bateria jest bezpieczna. Dodatkowo w celu uniemożliwienia przedostania się promieniowania β (beta) do otoczenia, diamentowy generator energii został opakowany w swoistego rodzaju „klatkę”, którą stanowi cienka diamentowa warstwa nie radioaktywnego węgla.
Szacuje się, że pierwsze tego rodzaju diamentowe źródła energii mają się pojawić do 2024 roku [9]. Jaka będzie ich cena jeszcze niewiadomo, jednak biorąc pod uwagę z czego mają być wytwarzane, a więc z radioaktywnych odpadów, można przypuszczać, że ich cena będzie stosunkowo nieduża [10].
Podsumowanie
Pomysł na stworzenie baterii, która będzie działała przez tysiące lat, nie tracąc na swojej mocy, nie zostawia przy tym produktów ubocznych, a dodatkowo do jej wytworzenia zużyte zostaną radioaktywne odpady, które mogą zagrażać naszej Planecie zasługuje na uznanie. Jednak pojawia się też szereg wątpliwości, m.in. czy radioaktywny izotop węgla C-14 nie będzie zbyt słaby aby wykorzystać go jako źródło energii, czy jego efektywność nie będzie spadać z czasem.
Warto dodatkowo wspomnieć o tym jak wielki problem stanowi pozyskiwanie energii. Według naukowców im szybciej zrezygnujemy z energii węglowej na rzecz energii odnawialnej, czy też energii pochodzącej z atomów, tym szybciej przyczynimy się do poprawy warunków na naszej planecie. A jeżeli jedynym produktem ubocznym z elektrowni atomowej miałyby się stać diamentowe baterie, to można pójść na takowy kompromis. Za parę lat będzie można zatem powiedzieć, że diamenty są wieczne nie tylko pod względem ich trwałości mechanicznej, ale i energetycznej.
Piśmiennictwo
[1] SUGIMOTO A. & WADA E: Carbon isotope composition of bacterial methane in a soil incubation experiment: Contributions of acetate and CO2 /H2 . Geochim. Cosmochim,1993.
[2] Michalik B.: Naturalna promieniotwórczość w węglu kamiennym i stałych produktach jego spalania, 2006.
[3] Rustu S. : Graphite, 1998.
[4] Maciej Zarzycki: Jądrowe reaktory energetyczne – budowa, zasada działania, eksploatacja
[5] Adam Strzałkowski: Wstęp do fizyki jądra atomowego.
[6] Stanisław Rudnik: Metaloznawstwo. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1998.
[7] www.tabletowo.pl/baterie-atomowe-odpady-radioaktywne-diamentowe
[8] https://spidersweb.pl/2020/01/elektrownie-atomowe-diamentowe-baterie
[9] www.focus.pl/artykul/tysiace-lat-bez-ladowania-tak-maja-dzialac-baterie-z-radioaktywnych-odpadow
[10] https://nt.interia.pl/technauka/news-baterie-przyszlosci-zasilane-odpadami-radioaktywnymi
