Şarj edilebilir lityum iyon (Li-ion) piller akıllı telefonlardan elektrikli araçlara kadar her şeye güç verdiğinden, sınırlamaları giderek daha belirgin hale geliyor. Sık şarj ve lityum madenciliği ve pil bertarafıyla ilgili çevresel endişeler araştırmacıları alternatifler aramaya yöneltti.
Güney Kore'nin Daegu Gyeongbuk Bilim ve Teknoloji Enstitüsü'nde profesör olan Su-Il In liderliğindeki bir ekip, yenilikçi bir çözüm geliştiriyor : Yeniden şarj edilmeye ihtiyaç duymadan onlarca yıl dayanabilen radyokarbonla çalışan nükleer piller. Profesör In, ekibinin bulgularını 23-27 Mart tarihleri arasında düzenlenen Amerikan Kimya Derneği'nin 2025 İlkbahar toplantısında sundu. Konferansta bilimsel gelişmelerle ilgili yaklaşık 12.000 sunum yapıldı.
Araştırma, bağlı cihazlar, veri merkezleri ve gelişmiş teknolojiler Li-ion pillerin yeteneklerini sınırlarına kadar zorlamaya devam ederken dayanıklı ve sürdürülebilir güç kaynaklarına yönelik artan talebi ele alıyor. "Li-ion pillerin performansı neredeyse doymuş durumda," dedi In ve ekibinin neden alternatif olarak nükleer pillere yöneldiğini açıkladı.
Nükleer piller, belirli malzemelerin radyoaktif bozunması sırasında yayılan yüksek enerjili parçacıkları kullanarak elektrik üretir. Zararlı gama ışınları yayan uranyum veya plütonyum gibi geleneksel nükleer enerji kaynaklarının aksine, In'in tasarımı radyokarbon olarak bilinen radyoaktif bir izotop olan karbon-14 kullanır.
Radyokarbon yalnızca daha az zararlı olan ve ince bir alüminyum levha ile güvenli bir şekilde tutulabilen beta parçacıkları yayar. Bu, beta radyasyonunu elektriğe dönüştüren betavoltaik pilleri kompakt ve güvenli enerji çözümleri için umut vadeden bir aday yapar. Radyokarbon diğer radyoaktif malzemelere göre birkaç avantaj sunar: ucuzdur, nükleer santrallerin yan ürünü olarak kolayca elde edilebilir ve geri dönüştürülmesi kolaydır. En önemlisi, 5.730 yıllık bir yarı ömre sahip olarak olağanüstü yavaş bir şekilde bozulur.
Bu, radyokarbonla çalışan bir pilin teorik olarak değiştirilmeye ihtiyaç duymadan binlerce yıl güç sağlayabileceği anlamına gelir. "Sadece beta ışınları ürettiği için radyoaktif bir karbon izotopu kullanmaya karar verdim," dedi In.
Ekibin prototip betavoltaik pili, nükleer pil tasarımında kritik bir zorluk olan enerji dönüşüm verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için gelişmiş malzemeler içeriyor. Pilin kalbinde, güneş hücrelerinde yaygın olarak kullanılan titanyum dioksit bazlı bir yarı iletken yer alıyor.
Bu malzeme, beta radyasyonunu etkili bir şekilde elektriğe dönüştürebilen son derece hassas bir yapı oluşturmak için rutenyum bazlı bir boya ile işlendi ve sitrik asitle güçlendirildi.
Radyokarbon tarafından yayılan beta parçacıkları, yarı iletkendeki rutenyum bazlı boyaya çarparak "elektron çığı" olarak bilinen bir elektron transfer reaksiyonları dizisini tetikler. Bu reaksiyonlar, titanyum dioksit tabakasının toplayıp harici bir devreden geçirdiği elektriği üretir. Bu süreç, pilin kullanılabilir güç üretme yeteneğinin merkezinde yer alır.
In'in tasarımındaki temel faktör, radyokarbonu pilin hem anotuna hem de katotuna yerleştirmekti - radyokarbonu yalnızca bir elektrotta kullanan önceki tasarımlardan bir sapma. Bu çift bölgeli yapılandırma, elektrotlar arasındaki mesafeden kaynaklanan enerji kaybını en aza indirirken beta parçacıklarının üretimini artırdı.
Sonuçlar çarpıcıydı: Testler, bu yaklaşımın pilin enerji dönüşüm verimliliğini önceki tasarımlarda yüzde 0,48'den yeni prototipte yüzde 2,86'ya çıkardığını, yani yaklaşık altı kat iyileştirme sağladığını ortaya koydu.
Bu ilerlemeye rağmen, radyokarbon piller güç çıkışı açısından Li-ion pillerin gerisinde kalmaya devam ediyor. Li-ion piller genellikle yaklaşık %90'lık enerji dönüşüm verimliliği elde ediyor. Ancak, bu nükleer pillerin anlık performansta eksik olanı, uzun ömürlülük ve güvenilirlikle telafi ediyorlar. Şarj edilmeden onlarca yıl çalışabilme yetenekleri, çeşitli endüstrilerde yeni olasılıklar açıyor.
Örneğin, radyokarbon pillerle çalışan kalp pilleri bir hastanın tüm ömrü boyunca dayanabilir ve riskli cerrahi değiştirmelere olan ihtiyacı ortadan kaldırabilir. Diğer potansiyel uygulamalar arasında zorlu ortamlardaki uzaktan sensörlere güç sağlamak, uzayda uzun vadeli enerji çözümleri gerektiren uydular ve hatta sık şarjın pratik olmadığı dronlar veya kendi kendine giden araçlar yer alır.
Bu nükleer pillerin performansını artırmak için daha fazla iyileştirmeye ihtiyaç duyulduğunu kabul ediyor. Beta-ışını yayıcılarının şeklini iyileştirmek ve güç üretimini artırmak için daha verimli soğurucuları geliştirmek için çalışmalar devam ediyor. Yine de, bunların potansiyel etkileri konusunda iyimserliğini koruyor. "Güvenli nükleer enerjiyi bir parmak büyüklüğündeki cihazlara koyabiliriz," dedi ve nükleer enerjinin artık büyük enerji santralleriyle sınırlı olmadığı, günlük teknolojiye entegre edildiği bir gelecek öngördü.
Araştırma, Kore Ulusal Araştırma Vakfı tarafından finanse edildi ve Kore Bilim ve İletişim Teknolojileri Bakanlığı'na bağlı Daegu Gyeongbuk Bilim ve Teknoloji Enstitüsü Araştırma ve Geliştirme Programı tarafından desteklendi.
Kaynak :
https://www.techspot.com/news/107339-nu ... rging.html
