Wyobraźmy sobie baterię, która może działać nie przez kilka godzin czy dni, ale przez tysiące lat. Brzmi jak science fiction? Do tej pory tak mogłoby się wydawać. Jednak naukowcy z Uniwersytetu w Bristol oraz Brytyjskiego Urzędu Energii Atomowej (UKAEA) właśnie udowodnili, że taka technologia jest całkowicie osiągalna. Mowa o diamentowych bateriach – innowacyjnym rozwiązaniu, które może całkowicie zmienić nasze podejście do zasilania urządzeń elektronicznych. Chociaż koszty są gigantyczne, baterie te mogą akumulować energię przez okres nawet do 5700 lat. Sprawdzamy, jak działa ta przełomowa technologia!
Baterie z diamentów – energia na zawsze?
Baterie z diamentów mają być rozwiązaniem problemu nośników energii, które szybko tracą akumulowany ładunek elektryczny. Opracowane właśnie przez brytyjskich naukowców baterie diamentowe w założeniu mogą przechowywać energię do 5700 lat – tyle trwać ma ostateczny rozkład ładunku w ogniwach. Koncepcja diamentowych baterii narodziła się podczas dorocznego wykładu Instytutu Cabot na Uniwersytecie w Bristol 25 listopada 2016 roku. Pomysł był prosty, choć niezwykle nowatorski: wykorzystać radioaktywne odpady grafitowe do wytwarzania energii elektrycznej tak, aby zapewnić długotrwałe i bezpieczne magazynowanie energii.
Dziś wiemy już, że eksperyment, a właściwie seria eksperymentów, zakończyła się sukcesem. Pierwsza na świecie, prototypowa bateria diamentowa, oparta na węglu-14, została wyprodukowana i pozytywnie przeszła testy energetyczne. Jak podkreśla Sarah Clark, Dyrektor Brytyjskiego Urzędu Energii Atomowej (UKAEA), „diamentowe baterie oferują bezpieczny, zrównoważony sposób na ciągłe dostarczanie mikrocząsteczek energii. To nowoczesna technologia, która wykorzystuje sztucznie wyprodukowany diament do bezpiecznego osłaniania niewielkich ilości węgla-14”. Jak zatem działa ta technologia, która faktycznie może zrewolucjonizować dotychczasowy sposób myślenia o problemie magazynowania energii elektrycznej?
Jak działają baterie diamentowe?
Baterie diamentowe są rodzajem ogniw betawoltaicznych. Ich właściwości energetyczne zawdzięczane są procesowi rozpadu radioaktywnego. Kluczowym elementem jest tutaj izotop węgla – węgiel-14 (^14^C), który podczas rozpadu emituje cząstki beta o niskiej wartości energetycznej. Proces ten zachodzi w samej strukturze diamentu, przekształcając energię promieniowania bezpośrednio w energię elektryczną. Wykorzystywany izotop jest bardzo popularny – powszechnie wykorzystywany jest to datowania radiowęglowego, np. w pracach archeologicznych.
Za sprawą wykorzystania radioaktywnego izotopu węgla baterie diamentowe w literaturze określa się także jako baterie nuklearne (nuclear batteries). Podczas rozpadu izotopu węgla ^14^C cząstki beta zderzają się z atomami węgla, tworząc pary elektron-dziura. W wyniku tych zderzeń elektrony przemieszczają się między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa, co przekłada się w konsekwencji na generowanie niewielkich ilości, stabilnej energii elektrycznej.
Generowanie tego niskiego poziomu mocy możliwe jest właśnie dzięki radioaktywnemu rozpadowi izotopu węgla-14, którego okres półtrwania wynosi 5700 lat. Sama bateria działa nieco podobnie do ogniwa fotowoltaicznego, które przekształca światło w elektryczność za sprawą oddziaływania fotonów na procesy chemiczne znajdujące się wewnątrz ogniw. Zamiast jednak wykorzystywać cząsteczki światła bateria nuklearna przechwytuje szybko poruszające się elektrony wewnątrz struktury diamentu.
Pierwsze prototypy i produkcja diamentowych baterii
Początkowo naukowcy pracowali na prototypach wykorzystujących nikiel-63 (^63^Ni) jako źródło promieniowania. Przełom nastąpił w 2016 roku, kiedy badacze z Uniwersytetu w Bristol, a za nimi dwa lata później naukowcy z Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii, przedstawili pierwsze udane prototypy baterii diamentowych. Prototyp składał się z cienkich warstw folii (wykonanych z izotopu niklu ^63^Ni) umieszczonych między diamentowymi konwerterami. Wynalazek zapewniał obiecujące parametry mocy wyjściowej na poziomie ok. 1 μW przy gęstości mocy 10 μW/cm^3^.
Pierwsza stworzona bateria diamentowa wykorzystuje z kolei izotop węgla C14 (radiowęgiel-14). Najtrudniejszym procesem jest jego pozyskanie – głównie z grafitowych bloków używanych w reaktorach jądrowych. Proces ten obejmuje:
1. Ekstrakcję węgla-14 poprzez nagrzanie bloków grafitowych do temperatury sublimacji (3 642°C).
2. Wychwycenie uwolnionego gazu.
3. Produkcję diamentów metodą osadzania par chemicznych (CVD).
W ten sposób opracowywane diamenty składają się z dwóch warstw:
- wewnętrznej warstwy wykonanej z radioaktywnego ^14^C,
- zewnętrznej warstwy wykonanej z nieradioaktywnego węgla-12, która blokuje promieniowanie.
Baterie nuklearne w przemyśle kosmicznym i implantologii
Nawet w kulturze popularnej mówi się, że diamenty są wieczne. Znane są także jako niezwykle twarde materiały, które bez trudu przecinają np. szkło. Z tego powodu pył diamentowy wykorzystywane jest m.in. w narzędziach tnących i wiertniczych do wzmacniania ich wytrzymałości.
Pierwsza na świecie diamentowa bateria oparta na węglu-14 wykazuje podobne właściwości. Okres półtrwania wynosi ok. 5700 lat – teoretycznie właśnie tyle trwałoby pełne rozładowanie takiego akumulatora. Teoretycznie, bo z oczywistych powodów takiego eksperymentu przeprowadzić nie można.
Wraz z tym wynalazkiem otwiera się droga do innych innowacji. Biokompatybilne baterie nuklearne mogą być wykorzystywane w urządzeniach medycznych, takich jak implanty oczu, aparaty słuchowe i rozruszniki serca. Ich zastosowanie eliminowałoby konieczność regularnej wymiany sprzętu, co zawsze związane jest z ryzykiem zabiegowym. Diamentowe baterie mogą być również stosowane w ekstremalnych warunkach – zarówno w przestrzeni kosmicznej, jak i na Ziemi. Mogą zasilać aktywne znaczniki częstotliwości radiowych (RF), umożliwiające identyfikację i śledzenie urządzeń na Ziemi lub w przestrzeni kosmicznej, takich jak statki kosmiczne czy ładunki. Niezwykle długi okres półtrwania w praktyce przekłada się na niższe koszty eksploatacji.
Cały czas trwają dalsze badania, które już teraz skutkują napływem wniosków patentowych. Jak przyznaje profesor Tom Scott z Uniwersytetu w Bristolu, „nasza technologia mikrozasilania może wspierać szeroki zakres ważnych zastosowań, od technologii kosmicznych i urządzeń zabezpieczających po implanty medyczne. Jesteśmy podekscytowani możliwością eksploracji wszystkich tych możliwości”.
Akumulatory z diamentów zrewolucjonizują przemysł?
We wrześniu 2020 roku utworzono spółkę Arkenlight, której celem jest komercjalizacja technologii diamentowych baterii. Kierowana przez Morgana Boardmana spółka ma na celu przekształcenie innowacyjnej koncepcji w dostępne rynkowo rozwiązanie. Baterie diamentowe mają być implementowane najpierw w kluczowych dziedzinach, m.in. w przemyśle kosmicznym. Możliwość magazynowania energii elektrycznej przez niezwykle długi czas z bardzo niskimi stratami energii sprawia, że przemysł kosmiczny jest naturalnym obszarem dla nowej technologii.
Parametry baterii nuklearnych sprawiają, że miałyby one szereg innych zastosowań – również komercyjnych. Nowe akumulatory mogą być implementowane w specjalistycznych urządzeniach technicznych, telefonach satelitarnych, elementach wyposażenia wojskowego itd. Nie należy się jednak prędko spodziewać upowszechnienia wynalazku. Pomimo fascynujących możliwości technologia diamentowych baterii ma również istotne ograniczenia, takie jak:
- bardzo niska gęstość mocy,
- niski poziom wydajności konwersji,
- wysokie koszty produkcji,
- generowanie jedynie mikrowatów energii.
Baterie diamentowe – podsumowanie
Baterie diamentowe to wynalazek bezkonkurencyjny. Dzięki wysokiemu okresowi półtrwania baterie te są w stanie magazynować energię przez okres nawet 5700 lat. Nie istnieje żadna alternatywna technologia, która umożliwiałaby obecnie choćby przybliżony wynik. Wiadomo, że pierwsze praktyczne zastosowania baterii diamentowych będą dotyczyły przemysłu kosmicznego, w którym czas rozkładu jest jednym z najważniejszych czynników.
Chociaż nie zastąpią w najbliższym czasie tradycyjnych źródeł zasilania, baterie nuklearne to duży krok w kierunku długotrwałych, bezpiecznych i czystych rozwiązań energetycznych, które są w stanie magazynować energię przez niezwykle długi czas. Kolejne lata pracy nad nimi będą spod znaku optymalizacji procesu produkcji, próby wykorzystywania diamentów syntetycznych lub innych metod redukujących gigantyczne koszty produkcji baterii.
